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石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性,在储能、吸附、电磁屏蔽等领域具有重要的应用前景。石墨烯在大部分领域的应用均需要保持单体的高度分散,由于石墨烯的原子层片状结构、层间范德瓦尔斯力和π-π相互作用,粉末形式的石墨烯在使用过程中容易团聚,从而丧失石墨烯的结构特征和优越性质。制备三维（3D）结构的石墨烯是解决这一问题的有效途径,尽管通过这个方法取得了很大进展,但是3D石墨烯仍然存在孔径大、电导率低和边缘少的问题。本文主要针对这些问题展开研究工作,主要研究内容和结果如下:通过结合静电纺丝方法和热化学气相沉积（CVD）制备了三维石墨烯纤维（3DGFs）,实现了石墨烯纳米片的立式生长,纤维上的石墨烯纳米片边缘充分裸露、相互连接,形成了独特的3D结构,解决了石墨烯团聚的问题。研究表明:随着生长时间增加,石墨烯纳米片边缘的厚度不发生变化,为1-3层,而石墨烯纳米片内部的厚度逐渐增加。另外,不同生长气氛（CH4/H2、C2H2/H2、C2H5OH/H2与CH4/NH3）中制备的3DGFs结构类似,但生长速率有一定的差异。而使用泡沫铜催化3DGFs的生长后,3DGFs的生长速率能提高4倍以上。此外,3DGFs自支撑薄膜具有出色的电导率（3.4×104-1.2×105 S/m）、超疏水、超亲油和电磁屏蔽性能,它对水的接触角高达173°,3μm厚的3DGFs自支撑膜的比电磁屏蔽效能为60932 dB cm2/g。为了进一步探索3DGFs的应用,研究了不同后续处理工艺,包括NH3处理、酸处理、空气活化以及这几种方式的结合,对3DGFs的结构和氧还原（ORR）性能的影响。研究发现,掺氮温度越高,3DGFs中掺杂量越少,它的ORR催化活性越低。仅通过NH3处理3DGFs只能实现0.62 at.%的N掺杂,N全部以吡啶氮的形式存在。空气活化结合NH3处理能明显提高3DGFs中N的掺杂量,当掺氮温度为500℃时,3DGFs中N和O的含量最高,分别为2.62at.%和8.68 at.%,其中N主要以石墨N的形式存在。酸处理结合NH3处理能进一步提高3DGFs中N的掺杂量,掺氮温度为500℃时,N和O含量最高,分别为4.61 at.%和4.41 at.%。N主要以吡啶氮的形式存在,吡啶氮含量为2.36at.%。该条件下制备的催化剂具有最佳的ORR催化活性,催化剂的半波电位和限制电流密度分别为0.88 V和5.86 mA/cm2。而且,该催化剂具有良好的甲醇耐受性和循环稳定性,循环50 h后还能保持初始电流的90%以上。另外,分析了3DGFs的ORR催化活性位点。研究发现,掺杂、缺陷和石墨烯边缘对3DGFs的ORR催化活性有重要影响,其中吡啶氮起主要作用。为了进一步拓展立式石墨烯纳米片的应用,通过热CVD在常规碳纤维上（CFs）制备了立式石墨烯纳米片（VG/CFs）,并将锂熔融到VG/CFs中,制备了Li/VG/CFs复合负极,并研究了它们的电化学性能。研究表明,不同生长时间的VG/CFs对复合负极的电化学性能影响较大,生长时间越长,Li/VG/CFs电极的电化学性能越好。基于生长时间为10 h的Li/VG/CFs10电极的对称电池在5 mA/cm2的电流密度下稳定循环1200次后的过电位仅为78 mV。结合SEM、阻抗和N2吸附/脱附曲线分析,Li/VG/CFs优异的电化学性能与VG/CFs的3D石墨烯结构、高电导率和大的比表面积有很大关系。再者,研究了基于Li/VG/CFs10负极的全电池的电化学性能。复合负极与钛酸锂（LTO）正极组装成全电池后,它在3 C的电流密度下循环500次后仍具有140 mAh/g的容量（1 C=170 mAh/g）。复合负极与磷酸铁锂（LFP）正极组装成全电池后,它在3 C的电流密度下循环1500次后仍具有101 mA h/g的容量,并且具有优异的倍率性能（5 C的容量为90mAh/g）。