石墨烯基超级电容器具有大功率密度、高工作效率、长久使用寿命以及轻污染等优势,是取代传统储能系统的理想之选。但石墨烯本身的性质以及其双电层储能理论极限制约了石墨烯基超级电容器在实际应用中的推广。本文将针对以上问题,通过引入混合式三维结构、石墨烯表面改性以及与法拉第电容电极材料复合等途径,研究可有效提高石墨烯基超级电容器电化学储能性能的方法。采用“一步法”通过对Pt/Si基底进行热处理使其表面形成三维多孔结构(Pt nanocup),并采用PECVD法在Pt nanocup表面原位垂直生长石墨烯(VFG),成功制备了三维混合纳米结构石墨烯电极材料(VFG-nanocup)。该材料通过提高单位面积内石墨烯片的数量,使其比表面积相对于平面基底材料增大了两倍。同时,石墨烯片的垂直结构可以优化电荷的传输路径,增加电荷传导和储存的有效面积,为电极材料实现高电化学储能性能提供了保证。研究表面,VFG-nanocup电极材料比电容值高达1052μF/cm2,能量密度高达4.88×10-4 Wh/m2,电化学储能性能相比于平面二维结构基底的电极材料提高了近三倍。为改善VFG材料本身的疏水性,通过调节反应气体流量比来控制所制备的VFG材料的形貌以及表面状态,并研究其与润湿性之间的关系。实验结果表明,制备具有合适尺寸及分布密度的VFG材料有利于保持其润湿性与电化学性能的平衡,同时,具有高缺陷度的外层石墨烯层可以有效改善整体VFG材料的亲水性。因此,本文提出采用主动式双面旋转等离子体刻蚀方法对制得的VFG材料进行表面处理,通过增加石墨烯片侧壁外层的缺陷度以及顶端边缘的平滑度,实现VFG材料润湿性的改善。经双面旋转等离子体刻蚀后的VFG样品润湿角显著降低,同时比电容值可提高至1000μF/cm2以上。最后,采用电化学沉积法在VFG表面制备不同形貌结构的Mn O2以形成VFG/Mn O2复合电极材料,通过在双电层电容基础上引入法拉第电容,可以综合两者的优势,获得高性能的混合式电极材料。研究表明,针状VFG/Mn O2复合电极材料具有更好的开放性结构,并可充分利用Mn O2与VFG两者在储能性能、电学性能以及形貌结构方面的优势,实现了高达11833μF/cm2比电容值,几乎两倍于絮状VFG/Mn O2电极材料,相比于纯石墨烯电极材料,其储能性能提高了近十倍。