由于传统化石燃料造成的能源短缺和环境污染问题加剧,迫使人类对于新能源的需求迅速的增加。通过开展环境友好型能源的前沿科技研究来解决污染问题成为近年来备受关注的课题。必须设计出高效、环保、低成本的能源,来满足现代社会和工业发展的需求,促进人类的可持续发展。首当其冲电池和燃料电池成为了研究中的热点。电池作为典型的电化学储能装置,已经广泛的运用于日常生活的点点滴滴,是手机、笔记本电脑、数码相机等设备的主要电源,比传统的可充电电池的储蓄能量高。燃料电池作为一种电化学转移装置,因其具有绿色、清洁、无污染且转化效率高等优势,当前已经将燃料电池作为汽车的能源运用。石墨烯作为较为典型的石墨碳,因其特殊的结构使得其具有独特、优异的物理化学性质,在催化、储能等领域的潜在应用研究取得了迅速的进展。本文结合当前社会的需求和趋势,采用微波法合成石墨烯基的复合材料应用于钾离子电池和燃料电池的阴极反应中,优化材料在应用中的性能。主要研究内容如下:1.提出了一种新型的微波辅助空心石墨烯纳米球的快速合成方法,该方法是使用廉价的有机小分子材料作为反应物在短时间内转化为石墨烯。制备的空心石墨烯纳米球在钾离子电池的电化学测试中表现出高容量和良好的稳定性。该合成方法快速,简便,廉价,为石墨烯的制备提供一种新的方法。2.提出了一种负载钯的空心石墨烯球制备方法并将其作为氧还原的电催化剂。由于Pt基催化剂的高成本和容易中毒的性能,寻求具有高活性和稳定性的催化剂已成为燃料电池发展的方向。空心石墨烯球的设计改善传统的二维石墨烯片由于易堆积而导致的导电性能差的问题。钯金属的引入,在降低成本的同时,将氧还原反应的活性提高到商业Pt/C的活性水平,同时改善了Pt/C易中毒、耐久性差的缺点,即使经过长时间的反应仍保持了高的稳定性。该方法扩展了电化学能领域的新研究思路。3.提出了一种锰氮掺杂石墨烯的制备方法并将其应用于电催化氧还原反应当中。通过微波辅助的方式,原位的合成了锰负载的石墨烯,并通过后掺氮的方式形成具有锰氮掺杂的石墨烯复合材料。该材料中锰的加入,提高了碳基材料的石墨化程度,减缓了其在反应中的氧化腐蚀。同时通过活性位点锰的氧化物和Mn-N-C结构的协同作用,优化了反应的催化性能,使材料拥有优异的催化活性、抗甲醇性能和耐久性。