碳纳米材料由于其优异的导电性、大的比表面积、良好的化学稳定性以及形态结构的多样化,成为能源储存与转化器件中的关键组分。石墨烯,作为一种具有单原子厚度的sp2杂化碳材料,由于其独特的物理化学性质,被广泛应用在光电、储能、生物等各个领域。更重要的是,石墨烯是组成其他碳纳米材料的基元结构,因此,基于石墨烯结构单元构筑多功能的碳基储能材料对于推动储能器件的发展具有重要作用。本文从石墨烯的宏量制备及储能应用出发,讨论了石墨烯的低温解理制备机理,阐明其对规模化应用的重要性并发展了一系列基于石墨烯的锂硫电池正极材料溶液相制备方法,主要包括:以硫化氢为还原剂实现了氧化石墨烯的还原和石墨烯/硫杂化材料的低温溶液相制备;构筑了具有高体积容量的高密度多孔石墨烯/硫三维宏观体材料;开发了基于含硫气体的可分散型纳米硫的制备方法,拓展了碳硫复合材料的溶液相制备方法。考察了石墨烯的结构与表面化学对电化学性能的影响。对低温负压解理法制备石墨烯机理进行系统探讨,提出营造片层内外足够的压力差是实现氧化石墨解理的关键;探究了不同尺寸石墨原料对于石墨烯结构性质的影响,结果表明低温负压解理能够有效消除不同尺寸原料的影响;二次热处理可以有效调控石墨烯的表面官能团,随着热处理温度的升高,电容值急剧衰减,证明表面化学是影响材料电化学性质的关键;提出普适的解理机理,阐明低温制备方法的优越性。利用氧化石墨烯的丰富表面官能团,首次提出了硫化氢还原氧化石墨烯并原位获得石墨烯/硫杂化电极材料的溶液相制备策略。硫化氢与氧化石墨烯的氧化还原反应实现了硫在石墨烯表面的均匀沉积,所得石墨烯/硫杂化材料具有的丰富褶皱结构能够有效提高对硫的限域作用,容量可达950 mAh g-1,并显示了良好的循环和倍率性能,作为锂硫电池正极材料具有良好的前景。针对锂硫电池体积能量密度低的瓶颈,提出高体积比容量石墨烯/硫杂化电极材料的可控构建。在前期研究的基础上,通过调控石墨烯表面化学,一步自组装得到具有三维网络结构的石墨烯/硫宏观体,通过对水分脱除机制及表面张力的控制,获得高密度多孔石墨烯/硫杂化材料(密度达1.53 g cm-3),并具有“烧麦”型独特孔结构,作为锂硫电池正极材料显示了高的体积比容量。为了进一步提高锂硫电池电极材料含硫量,发展了水溶液中高分散性硫纳米颗粒的制备方法。通过含硫气体(硫化氢、二氧化硫)的溶液相反应,获得了具有良好分散性、粒径可调的硫纳米颗粒,显示出良好的电化学性能。与石墨烯等形成结构均一的杂化材料,拓展了锂硫电池正极材料溶液相制备的多样性。