随着消费性电子产品、医疗电子设备、人工智能以及电动/混合动力车的快速发展,各行业对更加安全、环保、高效、经济、稳定的能源器件的需求与日俱增。而石墨烯作为一种原子尺度的二维材料,凭借其高电导率、高比表面积、高化学稳定性、机械柔性等独特的优势,逐渐成为能源器件中电极材料的研究热点。然而由于单层石墨烯容易在π-π作用力下发生二次堆叠,严重降低其比表面积,因此如何在使用过程中最大限度地保留石墨烯的物理化学特征成为了石墨烯研究领域的重要课题。在实际应用中,构筑石墨烯的三维多孔宏观构型(如石墨烯气凝胶)可以有效地缓解石墨烯的团聚,同时还可以衍生出超轻、高弹、内部网络互通等诸多特点,因而可以作为一系列多功能、多维度纳米材料(如量子点、纳米颗粒、纳米管/线、纳米片等)的理想载体。然而,传统方法制备的石墨烯气凝胶存在重要缺陷:(1)外观结构难以精确调控。传统的石墨烯气凝胶的外观结构极度依赖于容器的内部形貌和尺寸,并且难以在微观尺度上构建具有任意形貌的可编程化结构。(2)容易产生扭曲、破碎甚至局部封闭的内部网络,严重限制了气凝胶内部的物质传输速率。(3)纳米功能组分与石墨烯气凝胶进行杂化时难以实现均匀分布,严重降低了材料的比表面积和反应活性位点,进而导致气凝胶内部连通性较差。因此,在作为电极材料使用时,传统石墨烯气凝胶的性能往往随着单位面积负载量的提高而产生迅速衰减,极大地限制了其实际应用。因此,针对传统石墨烯气凝胶外观难以精确调节与内部连通性不足的问题,本文开展了高连通混合维度石墨烯基复合气凝胶的研究,采用3D打印手段的策略,通过不同的调控机制开发了两种类型的均匀混合墨水,结合简单的后处理方式实现了内部网络高度连通、外观构型可编程设计、纳米功能组分可均匀负载的混合维度石墨烯基复合气凝胶,并测试了其电化学性能,主要研究结果如下:(1)提出了一种构建可编程化混合维度(2D+nD,n=0,1或2)石墨烯气凝胶的酸性体系墨水通用配方和打印策略。通过添加尿素缓慢释放出铵根离子与GO形成大量的氢键,并结合溶剂逐步蒸发过程完成打印墨水的匀速交联,实现了墨水的高度均一性和高粘弹性响应。借助混合墨水中各组分之间的静电排斥力,实现了零维银纳米颗粒、一维碳纳米管以及二维硫化钼纳米片在石墨烯气凝胶上的均匀负载,并通过自主编程实现了石墨烯基气凝胶的曲面打印。最终制备的石墨烯气凝胶表现出良好的压缩回弹特性,在压缩应变达30%时循环五次之后依然具有90%至95%的高回弹率。(2)通过上述方法制备的碳纳米管/石墨烯复合气凝胶(3DP-CNT/G)电极,其面积比电容实现了与电极负载量的近似等比例同步增长。通过控制碳纳米管与石墨烯的比例,发现当碳纳米管含量为百分之五十(3DP-CNT/G-1)时具有最佳的电化学性能。在1A/g的电流密度下,与未添加碳纳米管的纯石墨烯气凝胶相比,3DP-CNT/G-1复合气凝胶的比电容提高了2.5倍,并且当电流密度增加到10A/g时,依然具有90.3%的容量保持率。将两个相同的3DP-CNT/G-1复合气凝胶组装成纽扣式对称超级电容器,在功率密度为11.4 mW/cm~2和1.54 mW/cm~2时,器件的能量密度高达0.021 mWh/cm~2和0.053 mWh/cm~2,优于大部分纯碳气凝胶电极。此外,当单个电极的负载量从1.92 mg/cm~2提高到7.68 mg/cm~2时,纽扣式超级电容器的面积比电容分别为192.07 mF/cm~2,366.99 mF/cm~2,502.50 mF/cm~2和639.56mF/cm~2,与电极负载量(厚度)几乎成近似线性比例同步增长。(3)基于树叶内部高效的物质传输原理启发,提出了一种新型的可用于均匀负载各种中/碱性活性物质的3D打印墨水和整体打印策略。通过添加海藻酸钠(SA)调节墨水的流变性能,并借助NCOH前驱体与GO之间强烈的静电排斥力避免各组分的团聚,实现了可用于3D打印的均匀混合墨水,其储能模量、损耗模量和表观粘度阈值最终分别提高到了103670 Pa,44576 Pa和42000 Pa?s。将负载量为7.4 mg/cm~2的三维镍钴硫/石墨烯(3DP-NCS/G)复合气凝胶作为自支撑电极使用时,在1 A/g和10 A/g的电流密度下,比电容分别为217.6 mAh/g和164.6mAh/g。组装了全3D打印电极的混合式超级电容器,在100 mA/cm~2的超高电流密度下进行了10000次恒流充电/放电循环后,器件容量保持率高达87.6%,表现出了优异的循环稳定性;此外,该电容器具有优异的倍率性能,在功率密度为7.71mW/cm~2和71.65 mW/cm~2时,输出的能量密度分别高达0.574 mWh/cm~2和0.41mWh/cm~2。