石墨烯是由碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构,可作为其他碳质材料(金刚石、石墨、碳纳米管等)的基本组成单元。作为碳材料的一种新型同素异形体,石墨烯已经引起了全世界的研究热潮。石墨烯独特的结构赋予了其优异的物理和化学性能,如优异的力学性能(弹性模量～1TPa),优异的导电性和导热性,极大的比表面积(2675m2/g)等。这些出众的特点使石墨烯在许多领域具有广泛的应用前景,如高性能复合材料、透明导电薄膜、传感器、纳米电子元件及储能器件等。在过去的研究中,石墨烯已经充分展现出其在理论研究和实际应用方面的无限魅力,迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。近年来,石墨烯作为超级电容器的电极材料受到了研究者的广泛关注。超级电容器是一种新型储能元件,具有比电容性能高、循环寿命长、充电时间短、使用方便及绿色环保等优异特点,有望成为储能领域未来的主力军。作为一种典型的二维碳材料,其较高的比表面积及优异的机械和电学性能使石墨烯材料非常有潜力作为超级电容器电极材料,不仅自身具有双电层电容特性,而且可以作为良好的导电基体,与法拉第电容材料进行结合制备复合电极材料。因其特殊的二维平面结构,石墨烯材料在器件组装中突显量子电容效应；可以通过改变空间构型、调控电子结构及其功能化处理等手段制备一系列新型的石墨烯衍生物,从而改善其双电层储能能力；同时可与法拉第电容材料复合,利用双电层和法拉第两种储能机理的结合制备性能优异的复合电极材料。石墨烯独特的结构和优异的机械性能使其可作为聚合物复合材料的增强填充物,较低的填充量有望极大地提高聚合物的力学性能。若能实现这种二维填充相在复合材料中的取向调控,有助于充分体现石墨烯的优越特性。这些研究对综合利用石墨烯的众多优异性质、实现商业化应用具有极其重要的意义。基于此,本课题主要从石墨烯衍生物的宏观新型结构设计及组装、电子结构掺杂及性能调控、与其他材料的复合及石墨烯在复合材料中的取向结构调控等三方面来制备石墨烯衍生物及其复合材料,并对其电化学性能及力学性能做了深入分析研究。具体研究内容主要有：1.首先通过化学氧化-还原法、微波还原法和化学活化法对原始石墨进行氧化、还原、活化：利用改进的Hummer’s方法制备氧化石墨(GO),利用水合肼作为还原剂制备还原氧化石墨烯(RGO),利用微波还原法制备微波剥离氧化石墨烯(MEGO),利用KOH化学活化法制备了活化石墨烯(aMEGO);并对GO、RGO、MEGO、aMEGO的结构和形貌做了分析。通过一系列的化学方法可以稳定地制备单片剥离的石墨烯片层结构及活化石墨烯的三维多孔结构,为后续章节中进一步设计和制备石墨烯衍生物的新型结构及其复合材料提供材料基础。2.从石墨烯衍生物新型微结构的构筑出发,利用KOH活化石墨烯有序薄膜的方法制备出电导率高、可自支撑且具有良好柔韧性的活化石墨烯薄膜。该薄膜具有较高的比表面积(2400m2/g)和电导率(5880S/m),是目前报道的具有较高比表面积的碳膜结构；以此薄膜作为电极材料所组装的两电极超级电容器显示了良好的高频响应能力、较低的等效电阻(0.1Ω)、较高的功率密度500kW/kg(对应能量密度为26Wh/kg),质量比电容为120F/g；以此薄膜作为电极材料,无需加入导电填料和粘合剂,且制备方法结合了已工业化的KOH活化方法和roll-to-roll的薄膜制备方法,简单易行,有望实现规模化制备。3.结合石墨烯的双电层电容和金属氧化物的法拉第电容特性,利用碳和高锰酸钾的氧化还原反应方便地制备了新型aMEGO/MnO2(AGMn)复合材料。aMEGO以其优异的电导率和内部的多孔结构可以作为MnO2颗粒良好的载体,通过调节反应时间来控制Mn02颗粒的负载量,最高可达38.1wt%;所得的AGMn复合材料可以保留原有aMEGO的三维多孔结构,且MnO2纳米颗粒可在三维孔道结构中均匀分布,粒径约为2-3nm；以复合材料AGMn作为电极材料组装成对称超级电容器,显示了较高的质量比电容256F/g(体积比电容640F/cm3)和良好的循环稳定性,且Mn02的质量比电容高达850F/g；以AGMn为正极材料、aMEGO为负极材料组装成非对称超级电容器AGMn//aMEGO,在水溶液中的工作电位可扩展到2V,具有较高的功率密度(32.3kW/kg)和能量密度(24.3Wh/kg),显示了良好的电化学性能。4.通过石墨烯电子结构的调控,在活化石墨烯制备过程中进行氮掺杂,成功制备了具有微量氮掺杂的活化石墨烯(N-aMEGO).通过改进的活化条件,调节活化时间和氨气的流量可以实现对N原子掺杂浓度的控制；N-aMEGO中N原子均匀分布并主要以“N6”和“N5”形式存在,且N-aMEGO仍然保持有aMEGO的三维多孔结构和较大的比表面积；所得N-aMEGO的质量比电容高达420F/g,面积比电容达22μF/cm2,表明微量N原子的掺杂在改变aMEGO电子结构的情况下,极大地提高了aMEGO的电容性能和其比表面积的利用率。5.为进一步理解N-aMEGO电容增加的机理,利用化学气相沉积法制备了单层石墨烯(PG)及N原子掺杂石墨烯(NG),测定了其量子电容,并研究N原子的掺杂浓度对量子电容的影响。PG由于结构缺陷和外界杂质的引入,在Dirac点处(0V)的量子电容不为0,所得数值(2.5μF/cm2)略大于理论计算值(0.8μF/cm2)；随N原子掺杂浓度的增加,NG的量子电容逐渐增大,Dirac点右移,曲线的斜率下降,说明N原子的引入可以提高石墨烯的载流子密度,同时增加其电子结构的无序度,从而有利于量子电容的增加,并减弱量子电容对电压的依赖关系。结合前面的研究结果,N-aMEGO电容值的增加量与NG量子电容值的增加量随N原子掺杂浓度的变化具有一定的相似性,表明N原子的掺杂对宏观碳材料电容性能具有一定的增强作用,由N掺杂碳材料所引起的双电层电容的增加有可能来源于N原子对石墨烯电子结构的改变,也即与量子电容的变化有关。6.通过石墨烯在聚合物基体中分散状态的调控,利用传统的溶液混合法和层层组装技术分别制备了RGO/PVA复合材料和GO/PVA复合膜。在RGO/PVA复合材料中,RGO片层呈无序排列,且RGO在较低的添加含量时可显著增加复合材料的力学性能,在RGO负载量为1.8vo1%时,RGO/PVA复合材料的断裂强度可增加150%,杨氏模量增加近10倍,且在该负载量处复合材料的力学性能出现增长率变化的转折点,即‘’Mechanical Percolation",并对其增强机理做了分析研究。GO/PVA复合膜显示了有序的层状结构,且GO片层在其中呈高度有序排列,与纯PVA膜相比,采用层层组装法所得的(GO/PVA)300纳米复合膜的弹性模量和硬度分别增加了98.7%和240.4%,通过对GO的取向结构调控较好地改善了复合膜的力学性能。