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近年来,以石墨烯、“类石墨烯”二维材料为研究对象的基础研究和应用研究正逐步兴起。石墨烯作为一种以sp2杂化碳原子组成的二维材料,是目前研究最热门和广泛的材料之一。虽然理论上,石墨烯具有完美的二维蜂窝状晶体结构,而实际的石墨烯的结构中,存在大量的缺陷。这些缺陷的存在,对石墨烯本征的物理化学性能的改变和调控起到了相当重要的作用,其中缺陷调控化学功能化反应的研究较为缺乏。另外,受石墨烯研究的启发,人们也合成并研究了各种“类石墨烯”二维材料。其中二维共价有机框架(Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks,2D-COF)因其结构的多样性和可设计性,相关研究引起了人们的广泛关注。本论文的课题是围绕石墨烯材料以及2D-COF材料展开,致力于构筑明确结构的缺陷石墨烯功能化反应模型和2D-COF材料。本论文的主要工作包括:1、构筑不同缺陷密度的单层石墨烯(single layer graphene,SLG)样品,在相同实验条件下,对不同缺陷密度的SLG样品进行可控的化学功能化和可控超分子组装,从而提高SLG复合物的氧气还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)的催化活性。通过该策略优化了石墨烯泡沫和多壁碳纳米管的ORR催化活性。2、基于构建的几何模型,系统地研究了 SLG中缺陷密度(nd)和化学功能化程度(FSLG)的构效关系。引入合适的nd值,调控SLG的FSLG,从而优化石墨烯上化学功能化密度。通过构筑有图案的缺陷样品,在SLG平面上实现图案化的超分子功能化。3、合成并表征以苯并菲(triphenylene,TP)为核心的“类石墨烯”2D-COF层状材料(TP-COF)。TP-COF可以超声剥离得到TP-COF的纳米片,可以通过界面聚合调控TP-COF薄膜的厚度,也可以原位生长在多壁碳纳米管上形成少层COF包覆的碳复合材料TP-COF@CNT。本论文中,我们理解了石墨烯缺陷与化学功能化之间关系,为设计合成具有先进功能的碳材料提供了思路。此外,本论文通过设计合成具有确定结构的2D-COF材料,也为从分子水平设计合成满足相关性能的二维材料提供指导意义。