石墨烯是单层的石墨结构单元,因其二维晶体结构独特的性能,为诸多行业带来了新的曙光,成为研究的热点。随着石墨烯研究的深入和关键技术的开发,高质量石墨烯的制备问题日益凸显。通过石墨的液相剥离来制备石墨烯,具有原料丰富、价格低廉以及可规模化等优点而备受瞩目。然而,目前的石墨液相剥离策略普遍存在层数不可控、剥离能耗高和重污染等问题,已经严重制约了石墨烯应用研究的发展。特别是双碳背景下的今天,节能、绿色低污染石墨烯的可控剥离技术的发展则变得尤为重要。本论文主要针对石墨的液相剥离方法中存在的问题,对其剥离机制进行深入研究,通过研究制约剥离效率的关键问题,设计高效低能耗的剥离动力,实现电化学剥离和化学插层剥离石墨烯的可控制备。通过预插层策略提升了氧化石墨烯的剥离动力学行为,发展了一种高效的石墨氧化策略。同时,通过对剥离的石墨烯材料层间距的调控来提升石墨烯材料的电化学性能,探索其在储能领域的应用。具体研究内容包括以下四个部分。1.阳极水系电化学剥离技术制备石墨烯的过程中,由于水的分解电压低,电剥离过程中水分解产生的气泡分子对石墨电极的剧烈攻击,加速电极的短路,导致高质量的单层/少数石墨烯的剥离比例偏低。本章提出利用高氯酸钠盐包水（NaClO4-WIS）电解液,改变电解液体系内的水结构分布,通过增加体系内结合水的比例,调控低电压情况下易分解的自由水的比例,利用不同结构水的分解活性,解决电剥离过程中水分解过程的不可控问题,从而实现对石墨烯厚度和氧化程度的有效调控。利用密度泛函理论的分子动力学（DFT-MD）模拟分析,证明了NaClO4-WIS电解液中的自由水（氢键）向结合水（共价键）的转变,从而揭示了NaClO4-WIS电解液水分解的行为机制,即自由水分子数量的有效限制为到达电极表面制造了更多的障碍。因此,通过调控水系电解液分解活性的策略,从根本上改变了因电解水产生过多的气体造成石墨电极过早的脱落,造成的石墨烯产物层数不可控等的关键科学问题。2.针对化学插层剥离技术存在的剥离试剂的能耗高和利用率低等问题,通过硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）的协同作用,发展了一种具有选择性氧化插层的高效剥离试剂,可控地合成低氧化水平、高导电性的GNPs,并对整个剥离过程进行系统的研究。结果表明,H2SO4和H2O2的歧化反应对石墨的边缘选择性氧化和无损插层起重要作用。通过DFT模拟,揭示H2O2等在石墨边缘的优先吸附作用实现了石墨的选择性边缘氧化反应,从而迅速的打开石墨层边,促进了气体分子对石墨的插层和剥离作用,实现了低氧化缺陷GNPs的高效制备。同时,利用GNPs优异的导电性作为电加热膜,在5 V的电压下,实现了高达275℃的温度变化,展现出优异的加热膜特性。3.在第三章的工作中,发现不同的H2SO4/H2O2配比将引发不同方向的反应,本章通过调节H2O2的比例,促进低阶硫酸石墨（H2SO4-GICs）的快速生成,H2SO4-GICs作为氧化石墨烯（GO）的关键前驱体,一直是影响GO反应动力学的关键因素。通过加入少量的H2O2,从而加速了H2SO4-GICs的生成反应,进而提升了GO的氧化效率。并对GO的插层过程和结构演化进行研究,结果表明,H2O2的含量对H2SO4-GICs的插层阶数具有重要的影响。低剂量H2O2更有利于触发了一阶H2SO4-GICs的生产,是提高GO剥离效率和氧化程度的关键因素。同时,针对难以氧化和剥离的大鳞片石墨,通过加入低计量H2O2同样表现出高效的插层和氧化效率提升的作用机制,从而发展了一种绿色的具有普适意义的GO改进策略。因GO更大的氧化程度,从而扩大了层间距。将还原后的GO作为钠离子电池负极材料,较大的层间距将有助于钠离子的快速脱嵌,从而显示出更好的倍率性能。4.石墨烯优异的性质,特别在电化学储能领域拥有巨大的应用价值和前景。本章利用绿色制备策略得到的GNPs和GO作为主要活性物质,通过简单的抽滤技术制备出GNPs-GO薄膜。利用GO表面丰富的官能团作为分散剂,改善GNPs团聚的问题,结合GNPs与GO不同的表面电荷分布,在溶液中的自组装行为,构筑GNPs-GO异质界面。结果表明,依赖GO/GNPs的静电吸附相互作用,通过调控GNPs和GO的配合比构筑了不同层间距的复合薄膜,将复合薄膜应用于钠离子电池负极材料,45%GNPs-RGO薄膜更有利于电子的快速传输,显示出较高的倍率特性。将其作为负极与活性炭匹配构筑钠离子混合电容器,在功率密度为200 W kg-1时,具有71 Wh kg-1的高能量密度,展现了优异的电化学性能。