石墨烯是仅有一个原子厚度的sp2杂化的二维碳材料，由于具有独特的物理和化学性质，而被视为最有前景的新型奇迹材料之一。在能源危机日益严重的今天，科学研究人员广泛探讨了石墨烯在能源储存与转化领域的应用，如太阳能电池、锂离子电池、超级电容器和催化剂等。石墨烯的化学研究表明，对石墨烯的功能化可以调控其分子结构、电子能级和化学性质，从而实现石墨烯基材料的多元化应用。为此，利用共价键和非共价键来制备功能化石墨烯的策略就受到了广大科研工作者的广泛关注。在本论文中，我们利用简单有效的方法来制备功能化石墨烯基材料，并研究了它们在能源储存领域的应用。1.三维的石墨烯基材料具有大的比表面积、高的孔隙率以及优越的物理化学性能，广泛应用于催化剂载体、药物传载、组织工程学、能源储存、传感器和执行器等领域。当前已报道的制备氧化石墨烯凝胶的方法是将亲水性的聚合物或者金属离子做为连接剂，利用氧化石墨烯片层与连接剂分子之间的氢键或者静电相互作用来诱导氧化石墨烯的自组装。然而，如何利用其它的方法来制备三维结构的氧化石墨烯凝胶，同时实现该三维材料孔结构和晶面间距的可控研究，在目前是一个颇具挑战的难题。经过深入的研究，我们发现，在室温下通过引入疏水性的二茂铁连接剂分子，利用它和氧化石墨烯之间的π-π超分子作用力，可以成功制备出三维氧化石墨烯凝胶。同时，该方法也为氧化石墨烯凝胶晶面间距和孔结构的调控提供了很好的思路。2.氧化石墨烯通常是由化学氧化剥离石墨，在石墨烯片层上引入羧基、羟基和环氧基的办法而制备的。然而，由于这部分强亲水性含氧官能团的引入，使得氧化石墨烯与很多的有机溶剂不相溶，这就在很大程度上限定了石墨烯基材料在聚合物填充剂方面的应用。另一方面，也由于氧化石墨烯在液相还原过程中很容易发生不可逆的堆积和聚集，导致比表面积和孔隙率大大降低，严重影响了石墨烯在能源储存领域方面的应用。基于以上问题，在本论文中，我们发展了一种简单方便的一步水相合成法制备共价键功能化的氧化石墨烯，提高了它在有机溶剂中的溶解度。随后，我们发现引入的这部分官能团，在氧化石墨烯还原过程中，不但可以在一定程度上阻止石墨烯的聚集，而且也可以增强石墨烯在超级电容器应用方面的电化学性能。3.传统的锂离子电池是以锂过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐做为正极，石墨类材料做为负极。由于这类材料的理论容量较低，正极（150-200mAh/g），负极（372mAh/g），所以传统锂离子电池的电荷储存能力就被限定在300mAh/g左右。为此，大量的研究工作都聚焦于探寻高容量的碳基材料做为新一代锂离子电池负极，如碳管、碳纤维、介孔碳以及相应的复合材料。石墨烯及其衍生物由于具有独特的电学性能、大的比表面积、良好的化学稳定性，被认为是潜在的锂离子电池负极材料。然而目前还没有非常简便的方法来合成高性能石墨烯基负极材料，尤其是寻找适合大规模连续工业化生产的方法，是一个亟待解决的难题。所以，我们发展了一种简单有效的合成路径来制备功能化的石墨烯材料，并研究了该材料在锂离子电池负极材料方面的应用。