石墨烯作为一种优异的碳纳米材料，在电化学领域（如电化学储能，电化学催化等）显示广泛的应用前景。针对特定的电化学应用，设计具有特殊结构的石墨烯复合材料对于获得理想的电化学性能至关重要。本文工作主要集中在以石墨烯作为导电载体和插层主体，发展简便易行的方法构筑了在纳米和亚纳米尺度上与石墨烯均一复合的结构材料包括超高硫负载的石墨烯分级三维网络结构，硫插层二维亚纳米石墨烯层隙结构以及石墨烯/MoS2异质原子层结构，并研究了各种复合结构在特定电化学领域（包括二次电池和电化学催化）中的应用。　　本研究主要内容包括：⑴对于硫-碳正极材料，碳载体与硫在微观尺度上的均一复合以及特定的三维网络结构是获得优异电池性能的关键。基于碳和硫的溶解性，发展了一种溶液化学技术将不同形貌的纳米碳结构单元引入到石墨烯中，构筑成一种点-线-面三位一体的分级三维网络结构。硫均匀负载在纳米碳表面，形成仅有几个纳米厚的覆盖层。在硫负载高达90 wt％的情况下，依然表现出高的电化学性能，在30 mA g-1的电流密度下，首圈放电容量达到1115 mA h g-1composite，基于硫质量为1239 mA h g-1，硫活性发挥达74％。在150 mA g-1的(0.1C)电流密度下，首圈放电容量达到900 mA h g-1composite。50圈循环后比容量可稳定在600 mA hg-1composite。1C倍率下，放电比容量仍可达500 mA h g-1composite。而且表现出较好的库伦效率。这种优良的性能归因于这种石墨烯分级三维网络结构有效利用三维空间，提供了更多的负载位点，同时构筑成更加通畅的电子和离子传输渠道。⑵微孔限域的硫分子由于其新颖的存在形态作为锂硫电池正极显示不同于传统S8分子的独特电化学行为。这种亚纳米空间限域的小硫分子结构不仅可以从根本上解决多硫化物的穿梭问题，而且具有更高的电化学活性。对于发展高性能锂硫电池以及认识微空间体系物质形态演变都具有重要科学意义。基于石墨烯层间化学，本章发展了多种有效的方法（包括溶剂热法和层间化学反应法），制备了一系列具有二维亚纳米空间限域效应的硫-石墨烯插层复合结构。所得硫-石墨烯复合材料用于锂硫电池显示典型小硫分子的充放电行为，在传统碳酸酯电解液中能够稳定循环，并显示出高的硫活性。这种二维石墨烯空间限域的硫体系对于进一步理解小硫分子的结构与性质以及发展高性能硫正极具有启发意义。⑶二维材料（如石墨烯，MoS2）构筑的范德华异质结构，对于综合利用不同二维晶体的特性以获得增强的物理化学性能常常是必要的。目前，还没有一种普适的方法用于灵活制备原子尺度上交替堆积的异质结构材料。基于石墨烯氧化物的离子性溶液化学，发展了一种普适性的方法构筑了石墨烯/MoS2异质原子层结构。在离子性溶液环境下，通过在石墨烯氧化物层间原位生长单层厚度的MoS2，实现了原子尺度的石墨烯/MoS2逐层堆积结构，并考察了其在电化学储锂，电化学电容器以及电化学催化（析氢反应）领域的应用，结果显示相比于同质原子层结构，这种异质原子层结构由于优化了电荷传导以及重构的层间结构而显示明显改善的电化学性能。