石墨烯的成功分离打开了材料物理器件学科交叉研究的大门。石墨烯拥有着单原子层厚度、超高载流子迁移率、仅取决于精细结构常数的透明度等非比寻常的量子特性,在电子器件、光电器件以及能量转换器件的应用上表现出了广阔的前景。石墨烯独特的狄拉克锥形能带与巨大的比表面积致使它对外部刺激异常敏感,从而导致石墨烯的费米能级很容易受到外部环境的影响而发生偏移,进而引起石墨烯二维平面内的载流子运动,使其在高效能量转化领域拥有着巨大的潜力。伴随着全球能源危机与能源需求的日益上升,二维材料石墨烯已被大量地应用于能量转换器件的研究。在众多正在进行的利用石墨烯从自然环境中获取电能的研究中,石墨烯与水的结合是近年来越来越受到研究人员追捧的发电途径。尽管石墨烯水力发电的研究尚处于初级阶段,但有关石墨烯从水的流动过程中产生电能的研究已经得到了不少报道。然而之前研究报道的实验结果仍然存在着较大的差异,并且还没有能够解释这些实验现象的物理机制。此外,之前研究大多只是将石墨烯当成一种纳米材料来使用而忽略了其本身特殊的量子特性。因此,本文主要针对石墨烯水流发电研究中尚存在的各种争议,开展了一系列的实验研究工作,并在此基础上提出对发电机理独特的见解、提高发电输出功率和扩大发电应用领域,以及初步探究石墨烯量子特性在石墨烯水流电压产生过程中的表现形式。本文的主要工作如下:1、考虑到石墨烯的二维费米子特性,利用库仑拖拽效应,证明了带电二维材料纳米片在石墨烯表面的滑动同样能在石墨烯中引起一个电压,并提出了移动的范德华异质结构发电机理。2、基于石墨烯单原子层厚度的量子特性,提出了石墨烯/PVDF异质结构发电器件,从多种液体的流动过程中获取电能,通过仔细研究了液体、石墨烯与衬底三层体系之间的电荷相互作用过程,分析了衬底在石墨烯水流发电过程中所起的关键作用。3、通过引入PTFE衬底,将单个水滴在石墨烯表面流动时所产生的功率输出增强了约100倍,并揭示了电压增大的原因在于石墨烯转移的过程中PTFE衬底与去离子水发生摩擦起电效应而使PTFE衬底表面呈现很强的负电位。4、提出了一种基于石墨烯/硅肖特基异质结构的二维混合发电器件,可以同时在石墨烯二维平面中获取太阳能和水流能。水流引起的电压增量是水滴流动过程中石墨烯被连续掺杂和去掺杂的结果,这一动态过程可以解释为通过水滴的流动来动态地调节石墨烯/硅肖特基结电荷转移特性。