超级电容器具有功率密度高、充电耗时短、使用寿命长等优点,在消费类电子产品、电动汽车、智能电网等领域具有潜在的市场需求,因而是当今储能器件研究的热点之一。超级电容器的容量、能量密度和功率密度与电极材料性能密切相关。与低维碳材料相比,三维多孔碳不仅具有丰富的孔隙、较大的比表面积,而且形成了三维连续的导电网络,既可直接作为电极材料,也可作为赝电容材料的有效载体,在高性能超级电容器中具有良好的应用前景。因此,三维多孔碳的设计与制备近年来深受研究者的重视。本文以三维多孔碳材料为主要研究对象,利用模板法制备了不同孔径的三维多孔碳,通过与MnO2复合、氮、氧掺杂等方法提高了电极的电化学性能。具体的研究内容和所获得的结果如下:(1)以聚乙烯醇为碳源,NaCl为模板,通过简单的碳化工艺制备了三维多孔碳,研究了产物的形貌与结构。利用KMnO4的强氧化性,在多孔碳上生长MnO2,获得了不同晶型、不同纳米形貌的C/MnO2复合材料。将它们用作超级电容器的电极材料,较为系统地研究了电化学性能。结果表明:三维多孔碳为MnO2提供了良好的导电支撑,有利于电子的快速传输;比表面积大的MnO2纳米形貌有助于增大与电解液的反应面积,从而提高了复合材料的比容量;水钠锰矿相的MnO2比α-MnO2能够提供更大的赝电容容量。因此,具有互联纳米片结构的C/MnO2复合材料电极的电化学性能最优。当充放电电流密度为0.5 A/g时,具有代表性的电极拥有132 F/g的容量,在2 A/g的电流密度下充放电循环1000次后,其容量保持在116 F/g,没有明显的衰减。(2)以SnCl2为模板,聚丙烯腈为碳前驱体和氮源,采用静电纺丝技术制备了自支撑的氮、氧掺杂多孔碳纳米纤维网络。当作为电容器电极时,多孔碳纳米纤维表现出高的质量比容量、优异的快速充放电性能和长的使用寿命。在0.2A/g的电流密度下,电极的容量达到了233.1 F/g,即使电流密度增至14 A/g,也依然拥有130.2 F/g的容量。在2 A/g的电流密度下循环4000次后,该电极保持了90.17%的初始容量。优异的电化学性能归因于电极材料所具有的特殊结构和形貌:碳纳米纤维形成了连续的三维导电网络,能够减小电极的内阻,促使电子快速传输和电解质离子迅速扩散;丰富的孔隙极大地增加了碳纳米纤维的比表面积,使电极获得了较高的双电层容量;氮、氧相关的官能团存在极大地改善碳纳米纤维的润湿性和导电性,同时大幅增加了电化学活性位点。由多孔碳纳米纤维组装成的对称电容器,其容量和最大能量密度分别达到了37 F/g和5.14 Wh/kg;当多孔碳纳米纤维与Co(OH)2纳米材料组装成非对称电容器时,获得了87.1 F/g的容量和27.2 Wh/kg的最大能量密度。