新型二维纳米材料石墨烯,以其独特的晶格结构和优异的物理、化学性能,在21世纪得到飞速发展,在材料、电子、生物、化学、物理等领域有着广泛的应用前景。然而石墨烯片层之间存在较强的范德华力以及自身的化学惰性等,极大的限制了石墨烯的大规模、高质量的合成以及后期的应用研发,这几乎是石墨烯充分发挥其特性,造福人类路上的绊脚石。因此开发石墨烯制备技术以获取高晶格质量的石墨烯纳米片层,或者研发一种与产品相适应的石墨烯功能化材料以扩宽其使用领域,成为石墨烯发展的必然趋势。目前,石墨烯的生产规模一直无法匹配其产品质量,此外石墨烯如何以最佳状态应用于各种材料,一直是科学界和工业界亟待解决的难题。本文聚焦于这些问题,通过电场辅助Hummers法制备高晶格质量、高氧化率的氧化石墨烯粉体;制备如石墨烯分散液、石墨烯气凝胶等功能化材料;研究功能化石墨烯材料在复合材料、吸附、导电等领域的应用,取得了良好的实验结果。主要研究结果如下:1.通过电场辅助Hummers法制备高晶格质量和高氧化率的氧化石墨烯纳米微片。直流电场在不影响Hummers法制备氧化石墨烯的条件下,可以有效降低KMnO₄、H₂SO₄等强氧化剂对石墨晶格的破坏作用,很大程度上提高了氧化效率。此外,电场的作用可以大大减少氧化剂的用量,从而减少了离子的残留和能量损失。改进后得到的氧化石墨烯纳米微片与传统的Hummers法制备的产物在分散性、化学组分、厚度、侧向尺寸等方面一致。2.化学法制备的还原氧化石墨烯粉体与溶剂混合,通过超声剥离及均质机处理后,加入分散剂和表面活性剂,得到稳定均匀的石墨烯分散液。均质机处理可以有效降低二维层数;分散剂为带有长烷基链的有机高分子,其长链可通过静电吸附包覆在还原氧化石墨烯片层表面,同时与溶剂中的有机分子相互作用,从而提高还原氧化石墨烯在有机溶剂中的分散稳定性。石墨烯分散液用于润滑油及环氧树脂材料中时,都能保持稳定分散,且能够在一定程度上提高材料的润滑及导热性。3.通过水热法制备石墨烯气凝胶,研究其在不同实验参数条件下,制备的石墨烯气凝胶性能差异;通过高分子PVP修饰制备石墨烯气凝胶,使其比表面积增加一倍左右;制得的石墨烯气凝胶的密度只有7.8 mg/cm³,在超轻材料密度范围内;此外,石墨烯气凝胶具备各种优异的特性,如优异的机械性、高导电性和强吸附性等。