碳材料具有来源广泛、储量丰富、价格低廉、导电性好和比表面积大等显著特点,已成为一种在可持续能量储存和转化器件中大有作为的可再生电极材料。由于在现有的能量储存和转化器件中,往往会涉及到在气固液三相界面上发生的电化学反应,例如,氧还原反应等,这就要求电极材料必须具有优良的结构特征。即便是不涉及任何化学反应的电化学双电层超级电容器,由于电解液中的离子需要在固液相界面上发生可逆地吸脱附,其对电极的要求也十分苛刻。所以,开发出具有先进微纳结构特征的碳电极材料成为解决当前限制高效能量储存和转化器件进一步发展的唯一途径。本论文面向动力学迟缓的氧还原反应和功率密度较低的电化学双电层电容器,针对二者电极材料(尤其是石墨烯和多孔碳材料)在制备和使用过程中面临的问题,通过方法创新和结构设计,制备了结构独特新颖的电极材料,并研究了其电化学性能特征,主要内容如下:1、通过改进的Hummers法,制备了拥有大量含氧官能团且近似单层的大尺寸氧化石墨烯纳米片。具有上述结构特征的氧化石墨烯可以作为导向剂,为合成各类微纳结构的石墨烯基复合材料提供优质的前驱体;2、利用具有上述特点的氧化石墨烯为基底物质,通过聚二甲基二烯丙基氯化铵的保护,经水热合成一步制备出了尺寸大约5.7 nm并在近似单层的石墨烯上高度分散的Ag/石墨烯氧还原催化剂。该方法成功解决了在液相合成过程中,石墨烯极易团聚和金属纳米颗粒倾向聚集长大的难题,使所得产物在碱性介质中展现出了优异的氧还原活性。当该Ag/石墨烯材料被用作氧还原阴极电解碳酸钠时,槽压仅仅为1.48 V。相对于常规析氢阴极高达2.53 V的槽压,节电大约41.5%。3、鉴于现有非贵金属氧还原催化剂虽能降低Pt含量,但在电化学过程中性能的不稳定性及由其带来的二次污染等问题,开发出了具有三明治构型的非金属氮掺杂石墨烯基电化学催化剂。在该催化剂的制备过程中,除了要解决上述问题外,还主要致力于减少石墨烯用量、避免石墨烯团聚、丰富材料孔结构和降低成本等问题的解决。研究证明,利用廉价葡萄糖作为碳源,通过乙二胺的桥联作用可以将水热碳成功包覆在导向试剂氧化石墨烯的两侧形成具有三明治构型的石墨烯基碳材料。经过后期高温活化,即得三维网状多级孔结构的氧还原催化剂。经大致计算,石墨烯在该材料中仅占5%左右,但催化剂材料的比表面积却高达1510.83 m2g-1,且在碱性介质中表现出了接近商业Pt/C的氧还原性能。4、针对大多数非金属氧还原材料的催化位点单一和活性比面积有限的不足,设计开发了一种多重活性位点共同修饰的具有三明治结构的石墨烯基碳材料。以来源更加广泛且环境友好的淀粉作为碳源,尿素作为氮源,通过水热合成制备出氧化石墨烯导向形成的氮掺杂碳/石墨烯/碳复合物,并经铁硫的共同修饰,高温热解制备出了含有氮、硫和铁三种活性位且具有三明治构型的薄石墨烯/碳纳米片。在该催化剂的制备过程中,没有使用任何对设备有腐蚀的碱性活化试剂,仅仅通过材料自身在热解过程中的自组装就形成了三维立体的多级孔结构。事实证明,碱性介质中,在这种先进独特结构的辅助下,通过三重活性位的协同效应,使氧还原反应能够在0.95 V的起始电位和0.83 V的半波电位下以直接四电子路径高效发生。上述氧还原反应的动力学参数已经优于同等条件下的商业Pt/C,证明所得催化剂极其优异的电化学活性。另外,在酸性溶液中,该催化剂同样展现出了有相当竞争力的催化性能。5、以独具结构特色的菜花为碳源,乙烯脲为氮源,在深入研究碳化过程中影响菜花碳化产物结构特征的因素后,选择分段煅烧模式,使基本保有菜花原始结构的初步碳化产物经KOH充分活化后,制备了孔结构分布开放、立体、均匀且孔中富孔的三维网状氮掺杂多孔碳材料。结果显示,在6MKOH溶液中,该碳材料具有优异的比容量(311Fg-1)、倍率特性和使用寿命,并且在两电极对称电容器件中表现出了高的能量密度和功率密度。