近三十年来,固体材料的制备工艺和表征技术的不断进步使得纳米科技得到了空前飞速的发展。随着尺度的减小,固体材料的比表面积不断增大,当其尺度减小到纳米范围内时,表面结构和电子特性将严重影响材料的性能和应用。随着以石墨烯为代表的二维材料的出现和深入研究,固体纳米材料表面的卓越性质已经被广泛应用于催化化学、表面光谱检测、储能等热门领域。另一方面,在一定的认知基础上,研究人员已经开始尝试通过表面修饰来调控材料的表面特性,改进其电子结构等特点来提高其固有价值,以期达到更理想的应用效果。因此无论是从基础研究角度,还是从潜在的应用价值来说,开展纳米材料表面修饰的研究都具有重要而且深远的意义。本论文旨在通过掺杂等表面修饰手段来调控石墨烯等材料的表面电子结构和几何构型,并探索它们在表面催化、表面增强拉曼散射(SERS)以及储能等应用中的表现,进而理解和掌握表面修饰对材料电子结构的影响规律及其影响机制。详细内容归纳如下：1.以改进的Hummer方法首先制备得到石墨烯氧化物,以氨水为氮源通过后处理的方法在180摄氏度条件下于反应釜中制备得到了氮掺杂的石墨烯,包括石墨型、吡啶型、吡咯型和胺连接型四种氮掺杂方式。我们选择化学还原对硝基苯酚反应来测试所合成样品的催化活性。通过对实验数据的分析,发现当以硼氢化钠为还原剂时,氮掺杂的石墨烯可以起到催化剂的作用并可以把硝基苯酚百分之百地催化还原成氨基苯酚,其反应速率为7.34×10-8mol*L-1s-1。这是第一例在无光照温和条件下非金属基催化剂用于此催化反应的报道。通过原位红外的表征以及密度泛函理论的模拟,我们推测出硝基苯酚是以羟基氧原子与石墨烯基底相吸附的,并且其吸附位点是所掺杂氮原子邻位上的碳原子。另一方面,通过理论模拟我们还研究了硼掺杂的石墨烯以及氢修饰的石墨烯在氧化还原反应中的应用,结果发现这些表面修饰了的石墨烯材料都具有良好的催化活性。通过杂原子掺杂等表面修饰手段可以在石墨烯表面上形成局域的高自旋和高电荷密度,这些特殊区域可以作为活性位点对反应物分子进行吸附,进而促进催化反应的持续进行。2.氧化石墨烯的表面含有丰富的含氧官能团,这些官能团与石墨烯平面的结合方式不一样,所带来的电子结构等的变化也不尽相同。通过改进的Hummer方法我们首先制备得到了氧化石墨烯,发现在120摄氏度条件下水热反应得到的产物具有对硝基苯酚催化还原的活性,其反应速率为0.147min-1。然而,样品经氢氧化钠溶液热处理后催化活性会大大降低。通过红外表征和X射线光电子能谱的测试表明氢氧化钠的处理会降低石墨烯表面羟基的相对含量。结合密度泛函理论模拟,发现羟基和烷氧基有利于硝基苯酚的吸附作用,而羧基和环氧基不利于硝基苯酚的吸附。这与实验上观测到的结果相一致,综上所述,羟基和烷氧基对样品的催化活性有促进作用,而环氧基和羧基对于此反应应该尽量避免。另一方面,我们把氧化石墨烯做成薄膜电极,测量发现石墨烯氧化物具有弱的铁电性能。这是第一例关于铁电性在石墨烯材料上的报道,其铁电性能可能来源于表面上大量的羟基官能团。表面和边缘上的羟基之间会形成氢键,这些氢键容易形成一维有序链状结构,这些一维有序的氢键链会产生自发极化,在电场的调控下发生翻转,进而对铁电性能产生贡献。3.以制备得到的银纳米粒子为基底,分别选择吡啶和罗丹明6G作为探针分子,经过多次实验发现磁场对SERS有削弱作用。这是第一例关于磁场对拉曼光谱的研究。结合密度泛函理论模拟,我们发现在磁场的作用下银纳米粒子表面的自由电子会向体内转移,这会导致其表面的电子数减小,使表面等离子体共振减弱,从而削弱了SERS的电磁场增强机制。同时,银的5s轨道在磁场作用下会向低能端移动,吡啶分子的π反键轨道会向高能端移动,这会造成电子受激发跃迁的带隙增宽,降低了电子跃迁的几率并且减少了可发生转移的电子的数量,进一步从化学增强方面削弱了SERS的增加能力。另一方面,基于有关实验上的报道,我们开展了对硼掺杂石墨烯的理论模拟,发现这种新型基底也可以对吡啶分子产生拉曼信号增强,这是因为硼是带正电的,吡啶的氮原子是带负电的,通过掺杂增加了界面上的静电相互作用力,使得毗啶分子更好地吸附在石墨烯基底上,从而可以通过电子转移的化学机制增强拉曼信号。4.通过对不同类型的氮掺杂石墨烯进行研究,我们发现吡啶型的氮掺杂有利于其在锂离子电池方面的应用。此外,当所掺杂的原子数达到四个,并且它们能够形成一个孔洞结构时,这种材料的锂存储容量、结构的稳定性以及锂在负极材料表面的迁移等评价参数将达到一个良好的平衡。因为氮掺杂使得石墨烯对锂原子有更强的吸附能力,在充放电过程中会有更多的锂残留在石墨烯表面上,所以在相应的实验中可以观察到锂的放电容量对比于完美石墨烯发生了快速的下降。另一方面,氮的掺杂会增加各种碳材料(包括石墨烯、富勒烯和小的碳团簇)与过渡金属钯的轨道交叠杂化程度,使得其对钯的吸附能力增强。通过模拟研究发现这会有利于其在储氢方面的应用,同时强的吸附能力能够防止钯在使用过程中脱落和聚集,有利于其以小粒子状态均匀的分布在石墨烯基底上,提高其储氢和催化等性能。