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石墨烯因其大的理论比表面积,良好的导热导电性和优异的机械性能,被认为是用作超级电容器的理想电极材料,但石墨烯单纯的双电层电容,以及单层片状结构易发生团聚、堆叠而导致其表面积减小,离子导电率降低,限制了其性能的发挥。将石墨烯片层组装成三维立体结构可以有效克服石墨烯堆叠和团聚的缺点,增加其比表面积。同时对石墨烯进行杂原子掺杂可有效调控石墨烯的物化特性,改善石墨烯的电子结构,提高石墨烯的导电率和氧化还原活性,这是目前提高石墨烯电化学性能的两个主要途径。本文利用自制的氧化石墨（GO）为原料,水热还原合成三维石墨烯水凝胶,利用氮、硫、磷等杂原子掺杂改性三维石墨烯,分析比较了不同类型石墨烯材料的微观结构和电化学性能。重点研究了掺杂磷含量、不同磷源对石墨烯电化学性能的影响,并与纳米结构的聚苯胺复合,以期得到具有优异电化学性能的电极材料。主要研究内容如下:（1）以氧化石墨为原料,利用尿素、对甲苯磺酸、植酸等为氮源、硫源、磷源,采取水热法分别制备了三维还原氧化石墨烯水凝胶（RGO）和氮、硫、磷等杂原子掺杂的三维还原氧化石墨烯水凝胶（RGN、RGS和RGP）,分别测试了GO、RGO、RGN、RGS和RGP五种材料的微观结构和电化学性能。结果表明:氮、磷、硫等杂原子掺杂进入石墨烯晶格,掺杂的石墨烯呈现蜂窝状三维多孔层状形貌。杂原子掺杂产生的法拉第赝电容均有利于提高三维石墨烯的电化学性能,其中以磷掺杂石墨烯电极材料的电容性能最佳。在1 mol L-1 H2SO4的电解液中,电流密度为1 mA cm-2时,其比容量388.5 F g-1,组装成对称电容器,其能量密度在1 A g-1的电流密度下可达到25.2 Wh kg-1。（2）以氧化石墨为原料,以植酸、磷酸二氢钾和磷酸作为掺杂剂,研究了不同磷源掺杂剂对磷掺杂石墨烯电化学性能的影响。再以植酸为掺杂剂,进一步研究了掺杂磷含量对三维石墨烯电化学性能的影响。结果表明:三种磷源掺杂石墨烯均表现出优异的电化学性能,其中以植酸为磷源制备的掺磷石墨烯（磷含量为0.94%）比电容可达388.5F g-1,在3 mA cm-2电流密度下循环10000次后,比电容保持率为99.9%,电化学性能最优。这主要是由于磷原子所携带的大量含氧官能团所致,其次,植酸中的C原子在掺杂过程中参与了石墨烯的重组也使其表现出更加优异的电化学性能。（3）采用乳液聚合法合成了聚苯胺纳米管,优化制备条件并测试了材料的结构及电化学性能。以氧化石墨和聚苯胺纳米管为原料,尿素、对甲苯磺酸和植酸为掺杂剂,利用一步水热法分别合成了氮、硫、磷等掺杂三维石墨烯/聚苯胺纳米管复合电极材料,测试了复合材料的结构和电化学性能。结果表明:复合电极材料均具有较高的比电容、优异的循环稳定性和良好的倍率性能。其中磷掺杂三维石墨烯/聚苯胺纳米管复合材料的比电容为593 F g-1,2000次循环保持率为80.7%,当电流密度从0.5 A g-1增大到5 A g-1时,比电容保持率仍可达82.2%。将其组装成对称电容器,其能量密度最大可达45 Wh kg-1。