石墨烯是一种具有独特二维结构以及优异的电学、光学和力学性能的碳纳米材料,其在能量转化与储存器件（如燃料电池、超级电容器等）、癌症诊断治疗、海水淡化以及污水治理等诸多前沿领域具有巨大的应用前景。由于其溶液加工性能极差、带隙为零,而这些会使其应用有一定的局限性,所以通常将石墨烯进行化学功能化从而克服石墨烯自身不足之处。目前最常用的方法是以氧化石墨烯（GO）为前体,利用其表面上含氧基团的化学反应性,将多种有机分子接枝到石墨烯片层上,从而实现石墨烯的功能化。然而,由于GO中含有大量的晶格缺陷和孔洞,因此通过GO化学衍生化所合成的功能化石墨烯材料的电学性能较差,限制了石墨烯在高性能电学器件的应用与发展。针对这些问题,本论文围绕商品化氟化石墨（bGF）的化学反应,研究无晶格缺陷的石墨烯功能化方法,并成功地将石墨烯功能化产物应用于高性能的氧化还原反应（ORR）电催化剂和超级电容器电极材料。本论文主要分为以下2个部分:1.面外NH₂和F双官能化石墨烯材料的制备及其在ORR中的应用研究作为燃料电池中重要的阴极反应,ORR通常是在Pt/C催化下进行的。然而,金属Pt不仅价格昂贵,而且在实际应用中还面临着易被毒化、循环稳定性差等问题。因此,开发一种性能高效、价格低廉的替代材料成为电催化领域的研究热点。目前,杂原子掺杂石墨烯在ORR电催化反应中的应用已被广泛报道,已成为一种比较有实用前景的Pt/C替代材料。通常,杂原子掺杂石墨烯是在含有杂原子的环境中利用化学气相沉积法或GO高温煅烧法获得的。其杂原子构型是杂原子通过sp²杂化而环合到石墨烯面内的六角晶格中。然而,人们很难精确地控制杂原子使其都处于石墨烯平面外,因此单纯面外杂原子功能石墨烯在电催化领域的研究鲜有报道。在本文中我们采用bGF为前驱体,利用其C采用sp³杂化以及F原子都在石墨烯面外的特点,通过使用NaNH₂对其进行亲核取代,成功合成了NH₂和F都在石墨烯平面外的NH₂/F共功能化石墨烯（NH₂-G-F）。并且元素分析结果说明,通过简单调节反应条件（如反应温度、NaNH₂/bGF等）可以灵活地调控石墨烯中F和NH₂基团的含量。Raman光谱和X-射线光电子能谱（XPS）结果表明bGF中C-F_x基团在与NaNH₂发生亲核取代的同时,也伴随着还原脱氟反应,从而使得NH₂-G-F中的共轭体系得到了部分修复。通过扫描电子显微镜（SEM）、高倍率透射电子显微镜（HR-TEM）、原子力显微镜（AFM）表征可知,NH₂-G-F仍保持石墨烯的片层结构,且具有较为完美的六角晶格结构。最后,我们分别通过循环伏安法和线性扫描伏安法对不同NH₂和F含量的NH₂-G-F样品的ORR电催化性能进行研究,电化学测试结果表明,只有当石墨烯中同时含有NH₂基团和F原子时,并且NH₂/F摩尔比适中时,NH₂-G-F不仅表现出优于商品化Pt/C的ORR电催化活性,而且还表现出优异的抗甲醇毒性和循环稳定性,揭示了NH₂和F之间存在协同作用。2.二胺柱撑高密度石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用超级电容器（Supercapacitors,SC）因具有充放电速率快、循环稳定性优异及功率密度较高等优点,被认为是一种理想的能量储存装置。因为电极材料的性质很大程度上决定了SC的储能性能,所以理想的电极材料应具备大比表面积、高电子/离子传导率、良好的化学/电化学稳定性。石墨烯刚好具备以上所有特性,因而并被认为是非常合适的电极材料。然而,因为高质量比电容(C_wt)的石墨烯电极材料一般蓬松而质轻(即电极材料密度:ρ<<1 g cm^-3),会导致体积比电容(C_vol)值较小,所以目前基于石墨烯的SC器件通常在质量比电容(C_wt)和体积比电容(C_vol,C_vol=ρ?C_wt)之间存在“Trade-Off”的关系,难以实现C_wt和C_vol都较高的情况。bGF是石墨烯家族中本征密度最高的材料(ρ:².6 g cm^-3),但是其导电率低且片层堆积过于紧密导致电化学储能性质较差。如果能够通过化学反应适当地将石墨烯片层支撑开来,同时又利用化学键将石墨烯连接起来,所得的bGF衍生材料可能既拥有较大的离子可接触的比表面积,又具有较高的密度,从而表现出C_wt和C_vol的双优特性。按照这一设计思路,我们利用乙二胺（EDA）、对苯二胺（PDA）、4,4’-二氨基二苯醚（ODA）对bGF中的C-F键进行亲核取代,将3种结构大小都不同的功能性二胺柱分子撑于石墨烯片层之间,并将石墨烯以共价方式连接起来。X-射线衍射（XRD）结果表明,随着二胺分子的刚性和体积不断增加（EDA→PDA→ODA）,所得的二胺柱撑石墨烯产物的层间距依次由EDA-G的0.36 nm到PDA-G的0.49 nm最后到ODA-G的0.62 nm。SEM和N₂吸脱附实验也显示,相比于EDA-G和PDA-G,ODA-G具有更加丰富的孔隙结构和更大的比表面积。此外,所测得的EDA-G、PDA-G和ODA-G的密度和电导率分别为0.79 g cm^-3、0.92 g cm^-3和1.08 g cm^-3,以及1375 S m^-1、1026 S m^-1和1264 S m^-1。可见二胺柱撑石墨烯材料既具有丰富的孔结构,还具有较高的导电率和密度。最后,通过循环伏安法和恒流充放电测试对二胺柱撑石墨烯材料的储能性能进行考察。研究结果表明,EDA-G主要呈双电层电容特征,而PDA-G和ODA-G不仅呈双电层电容特征,而且还表现出一定的赝电容特征。在0.5 A g^-1电流密度下,EDA-G和PDA-G的质量比电容分别为103.6 F g^-1和243.6F g^-1,但两者的体积比电容分别降低至81.8 F cm^-3和224.1 F cm^-3。然而对于ODA-G,在其质量比电容高达328.5 F g^-1的同时,其体积比电容达到了354.8 F cm^-3,很好地实现了体积比电容和质量比电容双高的特性,此外,ODA-G还展现出优异的倍率性能和循环稳定性。