石墨烯作为一种新型二维碳材料,具有独特的结构特征和优异的电学、力学、光学以及热学性质,在储能、催化、传感器等领域有着良好的应用前景,引起了世界的广泛关注。廉价、可控制备石墨烯以及石墨烯材料的功能化修饰是影响石墨烯材料发展和应用的关键。煤炭是自然界富存的以多环芳烃结构单元为主的含碳有机物,在新型碳材料制备中扮演着重要角色。本论文以煤炭为原料,针对煤基石墨烯的可控制备及其在光催化和电化学领域的应用进行了研究。在石墨烯制备方面重点研究了煤结构对煤石墨化过程的影响,探讨了影响煤基石墨烯结构和性能的主要因素;在应用方面重点考察了煤基氧化石墨烯复合材料在CO₂光催化过程中的催化特性以及煤基石墨烯复合材料的电化学性能。相关研究结果对于开拓煤炭材料化利用的新途径,阐明影响煤基石墨烯结构和性能的因素具有重要的理论和应用价值。首先,在煤基石墨烯制备方面,论文探讨了煤基石墨和煤基石墨烯制备的方法,以及影响石墨烯光催化特性和电化学性能的关键因素。煤经过不同石墨化工艺进行结构调变之后,进一步采用氧化法和低温等离子体还原技术实现了煤基石墨烯的制备。研究结果表明:在2500℃及1500℃条件下,催化石墨化均可以实现煤有机大分子结构的有序化调变,所得煤基石墨的石墨化度均可达到65%以上;当煤中加入氯化铁/硼酸复合催化剂,经过1500℃热处理后,所得煤基石墨的石墨化度可以提高到71.63%。此外,不同变质程度的煤经催化石墨化作用后,其产物的石墨化程度也有差异,无烟煤因其有机大分子基本结构单元中芳香层片更大,因此更易石墨化。催化石墨化机理表现为硼元素削弱煤炭有机大分子结构中芳香层片之间桥键的交联作用,铁元素与分解得到的芳香层片相结合形成相应的碳化物,当催化剂中无序排列的炭达到饱和时,部分炭以低能级的石墨化碳结晶形态沉积下来形成煤基石墨。其次,研究了ZnO/煤基氧化石墨烯复合材料在CO₂光催化还原过程中的应用。本研究以煤基氧化石墨烯为基材,通过共沉淀法制备了ZnO/煤基氧化石墨烯复合材料,考察了煤基氧化石墨的结构及ZnO负载量对复合材料光催化CO₂还原过程的影响。研究结果表明:不同负载量的ZnO/煤基氧化石墨烯复合材料对CO₂的光催化还原均具有一定光催化作用,其在可见光区的催化活性和选择性明显优于紫外光区,煤基氧化石墨烯结构及特性是影响ZnO/煤基氧化石墨烯复合材料光催化活性和选择性的关键因素;在可见光作用下,ZnO/煤基氧化石墨烯复合材料的光催化活性表现为ZnO/KCGO复合材料>ZnO/TXGO复合材料>ZnO/JCGO复合材料（复合比为7:3,添加量为1g/L）,并且对甲酸有较高的选择性,产物中甲酸产率与甲醇产率之比最高可达35.36。这主要是由于煤基氧化石墨烯的加入,其自身较大的间隙能,增强了该复合材料在可见光区的吸收能力,同时有助于促进光生电子的还原能力。最后,本论文研究了煤基石墨烯及MnO₂/煤基石墨烯复合材料在超级电容器电极材料中的应用,分析了煤基石墨烯片层大小和结构缺陷对煤基石墨烯及其复合材料电化学性能的影响。当煤基石墨烯材料用作超级电容器正极材料时,其首次充放电比电容量的高低顺序为:KCG>TXG>JCG;当MnO₂/煤基石墨烯复合材料用作超级电容器正极材料时,首次充放电的比电容量值相较于煤基石墨烯有了很大提高,这是因为石墨烯片层结构与线性二氧化锰复合时产生了强烈的协同效应,使复合材料展现出优异的导电性能;煤基石墨烯的结构不同,其与二氧化锰协同效应的大小也有差异,其中,MnO₂/TXG复合材料的电化学性能提高最明显,首次充放电的比电容量可以达到159.05 F/g,是TXG比电容量的3倍多。这主要归因于TXG具有更大的石墨烯层片结构,使二氧化锰纳米棒更易均匀分散在煤基石墨烯层片间,从而形成通畅的电子传输通道,提高了复合材料导电性能。