石墨烯，是一种二维纳米炭材料，具有超高的电子传输性能（电子迁移率、量子霍尔效应等），机械性能（弹性常数，超高的模量及强度等），以及在表面化学方面的特性（高比表面积、摩擦、润滑、耗损等），使其在纳米复合材料、新型化学电源、相关衍生物、晶体管、生物传感器、分析科学与生物医学等多方面具有广阔的应用前景。因而，自2004年单层石墨烯首次被发现以来，有关石墨烯的合成、改性以及组装在世界上引起了广泛的关注。目前，石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、氧化石墨还原法、外延生长法、化学气相沉积法，尚不能大量合成高质量石墨烯材料。有鉴于此，本文提出一种新型的合成方法——非基板化学合成法，用于合成石墨烯纳米片，该方法主要以二茂铁为催化剂和含有杂原子的有机化合物（如1,2,4-三氯苯等）为碳源在高压反应釜中进行催化热解反应，并通过改变工艺参数（如反应温度、反应物配比、原料用量等）来探索产物形貌结构变化规律，推断生长机理，并最终得到合成大量优质的石墨烯及二维石墨烯/碳纳米管组装结构的优化工艺条件。该方法具有工艺简单、反应温和、产物结构可控、易于大量合成等特点，为二维纳米炭材料的研究开发奠定了基础。研究结果表明，在二茂铁和1,2,4-三氯苯反应体系中，石墨烯纳米片可在400~700℃之间生成，并且在反应温度为450℃，反应原料的物质的量之比为1:1下，所制备石墨烯的质量最好，该条件下所得产物片层尺度为2~15μm，厚度为单层或数层（5层以下），单次产率可以达到40%。随着反应温度升高，片层厚度增加；随着催化剂比例的增加，容易形成炭包覆纳米金属晶体等副产物。通过对最终产物和中间产物形貌结构分析，考察其演变规律，推断石墨烯纳米片的生长机理遵循扩散限制凝聚（DLA）的扩散理论，其中氯原子促进了纳米片层的生长。在二茂铁和1,2,4-三氯苯反应体系中不仅可以合成出石墨烯纳米片，而且可以制备石墨烯纳米片/纳米管组装体。增加碳源比例，直至三氯苯/二茂铁摩尔比大于2时，可以生长石墨烯纳米片/纳米管组装体，其中纳米管平均直径为200nm，长度为1~3μm,管壁平均厚度为30nm，呈竹节状，垂直生长于石墨烯纳米片上。改变反应体系，考察了其它元素（F、S）对产物的影响，研究表明：在二茂铁/十氟联苯或二茂铁/噻吩体系中，反应产物为非晶碳包覆金属（化合物）的纳米电缆，包覆的碳层属于无定形结构；二茂铁/脲体系中，产物为各种纳米结构，但纯度较低。