石墨烯自2004年发现以来，因其独特的力学、光学、电学特性，可修饰性及生物兼容性得到了广泛的关注，并在众多领域展现了潜在的应用前景。基于石墨烯的结构特征，我们可以看到，在石墨烯材料制备及应用科学领域中存在着三个关键的科学技术问题：首先就是如何通过化学剥离条件的控制，来保证获得高品质的石墨烯材料；其次，如何通过不同的化学及物理功能化修饰手段来提高石墨烯材料在不同介质中的分散能力，并赋予其更多的化学物理特性，以利于石墨烯材料的进一步应用研究；最后就是针对石墨烯不同的力学、光学、电学等特性，通过采用功能化的修饰剪裁、尺寸控制、界面结构控制等技术手段，使得石墨烯材料可以应用于化学及生物传感、能源及光电材料等领域中。我们的石墨烯研究工作的开展正是围绕着这一科学研究领域的基础科学技术问题展开的，研究工作主要围绕着探索石墨烯的不同制备技术方法，同时也开展了多种不同石墨烯化学及物理修饰方面的研究工作在此基础上，将这些不同功能化的石墨烯材料应用于化学及生物传感、能源及光电等应用领域的科研探索中。首先，在石墨烯的制备领域，利用改进的HUMMER技术方法，实现了大尺度低成本的石墨烯化学制备，但该方法存在产率低、缺陷多、可控性差等缺点；我们在此基础上，在国际上首次发展了油水界面自发生长法制备石墨烯材料，这种技术方法可以适用于各种刚性及柔性基底，同时制备的膜材料具有较高的透光率，甚至可高达96％，十分接近石墨烯的理论透光率。此外，我们也通过微波辅助插层剥高的方法，实现了石墨烯大批量、高品质、低成本的制备，该技术方法制备的石墨烯材料在我们的研究中得到了广泛的应用。在深入理解这些化学制备的石墨烯材料化学结构特征及其反应机理的基础上，不仅可以利用多种技术方法对石墨烯材料进行化学功能化，同时也可以对其电学、光学、结构形貌及尺寸特性进行有效的调控。在我们的研究工作中，利用了物理吸附、化学反应接枝、物理/化学复合修饰等多种技术手段，将有机小分子、生物大分子、金属纳米颗粒、量子点等材料与石墨烯材料有机结合，不仅提高了石墨烯材料在多种介体中的分散性及稳定性，同时也将多种特殊的功能，如氧化还原特性、光学特性、生物兼容性、光/电化学催化特性等，赋予到石墨烯材料体系中。我们的研究工作主要围绕石墨烯材料在复合材料制备、传感分析及能源环境领域的应用开展的。以传感分析为例：(A)利用石墨烯材料为基体，构造了新型的具有高稳定性及免校正特性的全固态离子传感器件，该传感器件可用于活体在线的离子分析中。(B)石墨烯的表面对不同的DNA碱基具有明显差异的直接电化学氧化特性，基于此，我们实现了碱基及核苷酸的直接检测分析，同时分析样品也不需要额外的标记和预水解过程。(C)利用石墨烯的负载特性及电子输运特性，与光催化材料结合，我们首次实现了食品抗氧化容量的光电化学测量，该技术方法不仅广泛适用于有色及无色食品样品，也不需要使用昂贵的生物试剂，同时该方法也可以体现食品样品复杂多组分之间的抗氧化协同作用。(D)通过石墨烯的功能化修饰，可以高稳定地负载活性贵金属纳米材料，使得电化学气体传感器件中的贵金属用量明显减少，器件的稳定性也得到了显著的提高；石墨烯经过生物兼容性修饰制备的导电墨水材料，已经应用于生物传感芯片的打印制备中，该方法极大地简化了生物传感芯片的制备过程。