石墨烯被誉为21世纪最具发展潜力的超级材料之一。由于其突出的光、热、电、力学性能,其已被广泛应用于能源储存、环境治理、生物医学、防护装备、航空航天等领域。目前,制备石墨烯的方法主要有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和化学剥离法。其中,以Hummers法为代表的化学剥离法由于制备条件简单、生产设备要求低,且可规模化生产,因此得以广泛应用。然而,此方法仍然存在废酸与废水产量大、生产效率低（氧化剥离时间>2.5 h,洗涤繁琐耗时）、成本相对较高、还原难度大、石墨烯的剥离程度低（比表面积<1000 m²/g）等问题,故而极大地限制了其在实际生产中的应用。因此,开发更加高效、能满足实际应用要求的高质量石墨烯的制备方法显得尤为重要。为了能够更高效地制备石墨烯,本文以Hummers法为基础,实现了浓硫酸的回收与再利用,减少了废酸与废水的产生,开辟了一条超高效制备氧化石墨烯的新途径,解决了高效还原氧化石墨烯的难题,建立了调控石墨烯性质的新方法,研究和优化了石墨烯材料的电化学性能。主要的研究内容如下:（1）开发了一种基于KMnO₄的“三无”氧化法,实现了氧化石墨烯的高效制备。此法不仅显著缩短了反应时间,而且彻底消除了NaNO₃的使用和高能耗的高温与低温过程,减少了水的使用,实现了反应在不超过35℃下进行,确保了整个氧化反应在15 min内完成,真正实现了氧化石墨烯的高效制备。同常规Hummers法相比,本方法制备的氧化石墨烯具有相似的氧化度及更低的缺陷度。（2）实现了浓硫酸的回收与再利用,构建了制备氧化石墨的新策略。此过程不仅成功解决了系列Hummers法制备氧化石墨过程中浓硫酸的回收与再利用问题,而且实现了氧化石墨的制备。通过对浓硫酸的回收与再利用,不仅节约了大量的浓硫酸,提升了浓硫酸的有效使用率,而且减少了废酸与废水的产生,进而减轻了后处理压力,极大降低了成本。同时,通过对氧化石墨滤饼采取不同的后处理方式,不仅可制备得到还原氧化石墨烯,而且可对KMnO₄加以利用获得还原氧化石墨烯锰氧化物复合材料。（3）开发了一种间歇式微波辅助剥离非水膨胀氧化石墨法用于制备还原氧化石墨烯。此法首先通过经典的Hummers法制备得到一种非水膨胀氧化石墨,后经一个间歇式微波过程处理得到还原氧化石墨烯。研究发现,通过这种特殊的微波处理方式极大提高了微波剥离效率,有效解决了传统微波过程效率低的问题,获得了高比表面积高还原度的还原氧化石墨烯,同时简化了最为繁琐的水洗纯化过程,显著提升了制备石墨烯的效率。制备的还原氧化石墨烯的比表面积高达1337.1m²/g,碳氧原子比C/O达到19.0。电化学测试结果表明,其具有优异的超级电容性能,包括高的储能能力（在0.5 A/g的电流密度下比电容可达255.5 F/g）、优异的倍率性能和超长的使用寿命（100000个恒流充放电循环后,其比电容仍可保持100%）。（4）开发了一种火焰辅助微波剥离法用于高效还原氧化石墨烯。此法首先利用火焰法预处理经典Hummers法制备的氧化石墨,获得预还原氧化石墨烯,后经微波处理得到高度还原的还原氧化石墨烯。此过程极大地提高了还原效率,使整个还原过程控制在4 s以内,同时有效解决了微波过程受氧化石墨性质影响的难题,表现出了高度的重现性和可操作性。结果表明,获得的还原氧化石墨烯拥有超高的还原度（碳氧原子比C/O达31.1）和大的比表面积（1050 m²/g）。电化学性能测试表明,其拥有极好的电化学稳定性,在50000个充放电循环过程中比电容未发生明显的波动,电容始终保持100%。同时,其展示出了良好的导电性（阻抗<0.2Ω）、高的库伦效率（116.2%）、较高的比电容以及优异的倍率性能。（5）本文发现通过调控氧化石墨前驱体的疏松度和厚度可实现对产物还原氧化石墨烯性质的调控。研究表明,在利用火焰法处理氧化石墨的过程中,氧化石墨的疏松度越高,其产物的还原度越高,缺陷度越大;厚度越小,产物的比面积越高。电化学性能研究发现,还原氧化石墨烯的电化学性能与其自身的比表面积、缺陷度、氧化度密切相关。其中,通过对还原氧化石墨烯的性质进行调控,可实现一个超高的比电容,达到576 F/g。同时,利用金属盐修饰氧化石墨烯经火焰处理后,实现了对还原氧化石墨烯的功能化改性,获得了金属氧化物纳米颗粒均匀修饰的还原氧化石墨烯复合材料,展示出了良好的电化学储能性能。（6）为了解决还原氧化石墨烯粉体材料直接作为超电材料循环性能差的问题,本文采用火焰法制备得到了一种层状氮掺杂还原氧化石墨烯泡沫。此法首先利用尿素修饰氧化石墨烯,后经火焰处理得到氮掺杂还原氧化石墨烯泡沫。研究发现,尿素不仅起到了氮源的作用,而且能重构氧化石墨稀的堆积,增强氧化石墨烯片层之间的作用,有效阻止产物还原氧化石墨烯在火焰处理过程中被剥离。结果表明,获得的氮掺杂还原氧化石墨烯泡沫拥有明显的层状结构,其氮掺杂量可达3.5-7.0 at.%。用作超电材料,其具有高的比电容（323.7 F/g）、高的库伦效率（125%）和高的能量效率以及超长的循环使用寿命。在30 A/g的超高电流密度下,充放电循环50000圈后,其比电容不仅未减小,反而增加了9.2%。（7）为了提升石墨烯组装材料的机械性能,本文利用静电吸附和火焰诱导实现了还原氧化石墨烯在Ni泡沫骨架表面上的紧密包裹,成功构建了一种还原氧化石墨烯紧密包裹的Ni骨架泡沫材料。结果表明,还原氧化石墨烯修饰在Ni骨架表面展示出了优异的超级电容性能,不仅拥有高的比电容和能量效率,而且表现出了极好的电化学循环稳定性。在40 A/g下,恒流充放电循环20000圈后,其比电容仍保持94.4%。不同于Ni泡沫,以这种还原氧化石墨烯包裹的Ni泡沫作为生长基质,获得了具有紧密α-Fe₂O₃层修饰的多孔材料。电化学测试结果表明,用还原氧化石墨烯包裹的Ni泡沫组装的α-Fe₂O₃电极在电化学性能上得到了提升,展示出了更高的比电容和能量效率以及更好的电化学循环稳定性。在1 mA/cm²的电流密度下,其面电容达到了1488.9 mF/cm²。此策略的建立为柔性电极的构建提供了简单可行的办法。