石墨烯具有独特的二维结构及优异的理化性质,是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求,且石墨烯片层容易堆叠和团聚,制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质,拓展并提升石墨烯的性能,对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物,多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。本文以多孔石墨烯为研究对象,证实了催化氧化法及氢氧化钾活化法对石墨烯片层的造孔作用,发展了多种二维及三维多孔石墨烯基材料的制备方法,在此基础上研究了多孔石墨烯的形貌调控及合成机理,对产物,尤其是通过催化氧化法得到的多孔石墨烯/金属氧化物复合材料作为氧还原催化剂、超级电容器电极材料、锂离子电池负极材料、锂硫电池正极材料的应用表现进行了系统探讨。采用一步原位造孔方法制备了多孔石墨烯/Mn3O4片状复合物材料,该材料以毗邻分布的颗粒和孔洞为结构特征。以氧化石墨烯和高锰酸钾为前驱体,利用催化氧化法同步完成石墨烯片层的造孔及复合,石墨烯片层上毗邻的孔洞和颗粒的密度和大小可以通过改变热处理温度、时间或锰前驱体的用量调节。研究也证明孔的形成与氧化石墨烯中含氧官能团密切相关,相对应的,将氧化石墨烯换作石墨烯为前驱体,同样的过程很难得到多孔石墨烯。复合物中孔洞和颗粒成对毗邻分布,组分间存在很强的相互作用,这一特殊结构促进了电解液及氧气的扩散,利于Mn3O4电化学活性的发挥,因此多孔石墨烯/Mn3O4纳米复合物作为氧还原催化剂及超级电容器电极材料均表现出优于无孔的石墨烯/Mn3O4纳米复合物的性能,显示了毗邻孔与颗粒的引入对石墨烯复合物电化学性能的明显提升作用。进一步将片层造孔方法引入三维结构的石墨烯基宏观体,得到兼具片层孔和片间孔的石墨烯基三维材料。将水热法与氢氧化钾活化法相结合,制备得到了片层多孔的活化石墨烯宏观体材料;从组成、结构和性能优化的角度导向性设计并制备了片层多孔石墨烯/Fe2O3三维纳米复合材料,这一复合材料在组成上包括了多孔石墨烯和Fe2O3纳米颗粒两种电活性物质,在结构上结合了片层多孔、片间孔道及片与颗粒的复合等特点,在性质上兼具了高电子离子传输效率、多电化学活性位点、高电化学反应活性等优势,在氧还原催化剂及锂离子电池、锂硫电池等领域有着很好的应用表现。利用化学组装方法得到了石墨烯/锰复合水凝胶,对凝胶的形成机制及凝胶的形成与体系蒸发速率之间的关系做出了探讨。实验中发现,高锰酸钾及氧化石墨烯对水凝胶的形成及微观形貌具有关键作用。与无水凝胶形成的对比体系相比,形成水凝胶的体系具有显著较低的蒸发速率,且体系的蒸发速率与所成凝胶尺寸成正比。