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军民高技术装备急需大功率电化学电源,超级电容器具有极高的功率密度(≥15 k W kg-1),可以实现快速的充放电,然而受限于其低能量密度(≤10 Wh kg-1)难以广泛应用。高氮高导电三维碳材料具有远高于传统活性炭(～150-200 F g-1)的比容量,是未来超级电容器的关键材料。然而,高氮高导电三维碳材料的制备极具挑战。传统方法制备高导电碳材料需要高温环境（≥800°C）,但是该条件下掺杂的氮极易分解,难以实现高氮含量掺杂。因此,碳材料的高氮掺杂和高导电存在相互制约,急需发展制备高氮高导电三维碳材料的新策略和新方法。本论文利用溶胶凝胶结合高温化学气相沉积,引入亲氮元素构建高温固氮化学环境,调控三维碳材料的掺氮种类和含量,协同优化高导电-高氮含量这一对相互制约因素,成功开发出一系列兼具高导电和高氮含量的三维碳材料并深入分析不同化学环境对氮的固定机制,总结出制备高氮高导电三维碳材料的一般规律,将这些材料应用于超级电容器领域取得了优异性能。主要创新性结果如下:1.Ⅷ族过渡金属（Fe、Co、Ni）高温催化协同Si-O-Si网络制备高氮高导电三维碳材料。优选Fe作为催化中心,利用Fe高效催化sp2碳生长和Si-O-Si网络的高温固氮作用,改变碳材料微观结构,制备高氮高导电三维碳材料并研究其超级电容器性能。Ⅷ族过渡金属（Fe、Co、Ni）具有催化sp2碳生长的特性且催化能力Fe>Ni/Co,基于此,优选在高温反应中引入Fe,可以赋予碳材料高导电性(12 S cm-1),另一方面,Fe可以修饰碳材料的微观结构,将无序单层石墨烯片转化成少层类石墨烯和引入洋葱型结构。此外,在高温反应中引入Si-O-Si网络,可以在构建三维网络的同时固定氮原子,提高碳材料比表面积并引入分级孔结构,在1000°C高温下制备出较高氮含量（3.06 at%）、超高比表面积(2076m2 g-1,接近石墨烯(2630 m2 g-1))的三维碳材料。该三维碳材料作为超级电容器电极材料具有高容量(315 F g-1@0.50 A g-1)、极好的倍率性能(174 F g-1@40A g-1)和优异的循环稳定性（循环20000圈容量保持率高达98%）。2.Ⅷ族过渡金属（Fe、Co、Ni）离子配位双氰胺辅助Si-O-Si网络制备高氮高导电三维碳材料。优选Ni2+作为配位离子,利用Ni2+与双氰胺离子的配位作用锚定氮源形成富氮前驱体,制备高氮高导电三维碳材料并研究其超级电容器性能。Ⅷ族过渡金属（Fe、Co、Ni）离子由于电子结构中存在空轨道可以和具有孤对电子的含氮有机物在溶液中形成配位键,使N原子更加稳定地原位掺杂在碳材料中。考虑到Ni-N配位键相比Fe-N和Co-N具有更佳效果,优选Ni2+作为配位离子,在溶胶过程中,与双氰胺离子形成富氮配合物前驱体,1000°C高温处理后在三维碳材料中实现高氮含量掺杂（4.17 at%）。此外,在高温反应过程中,Ni可以催化sp2碳生长,提高材料导电性(20 S cm-1)。该三维碳材料作为超级电容器电极材料具有高容量(301 F g-1@0.50 A g-1)、极好的倍率性能(180 F g-1@20 A g-1)和优异的循环稳定性（循环10000圈容量保持率高达95%）。3.ⅢA族金属氧化物（Al2O3、Ga2O3、In2O3）高温协同Si-O-Si网络制备高氮高导电三维碳材料。优选Al2O3,利用Al2O3和Si-O-Si网络的协同作用,选择性固定吡咯氮（N-5）和吡啶氮（N-6）,制备高氮高导电三维碳材料并研究其超级电容器性能。IIIA族金属氧化物可以在高温氨气环境中形成氮化物且电负性Al>Ga>In,优选在高温化学气相沉积中引入Al2O3。Al2O3中的Al可以在高温环境中与掺杂到C六元环中的N形成Al-N键,同时与Si-O-Si网络产生协同作用,增强固定N原子的效果,使N原子更加稳定地掺杂在三维碳材料中。制备出高氮含量（5.29 at%@1000°C,N5+N6含量是3.70 at%）、高导电性(27 S cm-1)和宽孔径分布（0.50-60 nm）的三维碳材料。该三维碳材料作为超级电容器电极材料时,具有高容量(302 F g-1@1 A g-1)、极好的倍率性能(177 F g-1@120 A g-1)和优异循环稳定性（循环20000圈容量保持率高达92%）。4.异质原子（B、P）原位掺杂选择性调控吡咯氮制备富吡咯氮高导电三维碳材料。优选B作为掺杂原子,利用缺电子的B耦合富电子的N并协同Si-O-Si网络构建三维结构,实现高浓度N-5原子的选择性锚定,制备富吡咯氮高导电三维碳材料并研究其超级电容器性能。B和P等异质原子可以掺杂到C六元环中改变邻近碳原子的电子结构且由于电负性B<P<C<N,因此可以中和碳材料中吡咯型氮的孤对电子。考虑到原子半径B<P,B相比P原子更易掺杂到碳材料中,优选B作为掺杂原子。第一性原理计算表明B原子掺杂会降低C六元环中N原子（尤其是N-5）附近体系的能量,因此使得N-5结构更加稳定。在Si-O-Si网络的存在下,B原子原位掺杂可以选择性调控三维碳材料中N-5的含量,实现高氮含量掺杂（7.80 at%@1000°C,N-5含量是4.52 at%）。同时在高温进行化学气相沉积可以赋予碳材料高导电性(30 S cm-1)。该三维碳材料作为超级电容器电极材料时,具有高比容量(412 F g-1@1 A g-1)、极好的倍率性能(284 F g-1@20A g-1)和优异的循环稳定性（循环10000圈容量保持率高达97%）。