异质原子掺杂能有效调控石墨烯的能带结构、电学及电化学性能。掺杂石墨烯的可控制备及性能调控已成为材料科学领域的研究前沿与热点。本论文以异质原子掺杂石墨烯薄膜及泡沫为研究对象,首先,研究氮、硫掺杂石墨烯薄膜的可控制备及掺杂对石墨烯薄膜结构及其电学性能的影响规律;然后,研究硫掺杂石墨烯泡沫及其复合材料的可控制备及掺杂原子对其结构与电催化性能的调控规律;最后,研究硫、氮共掺杂石墨烯泡沫及其复合材料的可控制备,以及掺杂原子对其结构与电催化性能的调控规律。主要研究内容和结果如下:1.研究了本征及氮、硫掺杂石墨烯薄膜的可控制备及其电学性能。（1）研究并优化了本征石墨烯薄膜的化学气相沉积（CVD）制备工艺及转移工艺,获得了高质量、低方阻的石墨烯薄膜;研制了基于石墨烯薄膜电极的透明柔性摩擦电发电机,其输出功率密度、峰值电压分别高达10.1μW cm^-2、56 V,展示了其在能源转化领域的潜在应用价值。（2）以五氯吡啶为氮掺杂源和碳源,研究了低温氮掺杂石墨烯薄膜的CVD制备工艺、结构和电学性能。研究表明,当制备温度从350 ^oC增加至450 ^oC时,氮掺杂石墨烯薄膜的缺陷密度明显降低,N掺杂含量从7.6 at%降至3.9 at%,迁移率从0.3 cm² V^-11 s^-1提高到5.7 cm² V^-11 s^-1。（3）以噻蒽为硫掺杂源和碳源,研究了硫掺杂石墨烯（SG）薄膜的CVD制备工艺、结构及电学性能。研究并揭示了氢气流量对SG薄膜掺杂含量、结构及电学性能的调控机理;SG薄膜S掺杂量最高可达4.01 at%,迁移率高达270 cm² V^-1s^-1。2.研究了硫掺杂CVD石墨烯泡沫及其复合材料的可控制备及其电催化性能。（1）采用噻蒽作为固态碳源和掺杂硫源,在泡沫镍基底制备了三维硫掺杂石墨烯泡沫（3DSG）。研究表明,进一步通过氩等离子处理3DSG后（3DSG-Ar）,由于缺陷位（活性位）的增加,3DSG-Ar表现出更优异的电催化析氢（HER）性能:3DSG、3DSG-Ar的起始电位分别为259、218 mV,Tafel斜率分别为97、64mV dec^-1。（2）以氯铂酸为原材料,采用光化学还原方法在3DSG上制备了均匀分布的超细Pt纳米颗粒（Pt/3DSG）。研究表明:Pt/3DSG具有特别优异的电催化性能:3.1 wt%Pt负载的Pt/3DSG的Tafel斜率仅为30.1 mV dec^-1,低于20%Pt/C(31.2mV dec^-1),其周转频率高达1.12 s^-1(远高于20%Pt/C的0.71 s^-1);结合拉曼、TEM及XPS等测试分析技术,证实了Pt/3DSG中硫原子与铂原子间形成了较强的化学键合和电子转移,有效增强了其催化活性和稳定性。（3）采用CVD工艺制备了三维硫掺杂石墨烯泡沫/泡沫镍复合材料（3DSG/NF）并研究了其电催化析氧（OER）性能。研究表明,3DSG/NF具有优异的OER性能,其Tafel斜率为61.62 mV dec^-1,10 mA cm^–2的过电位仅为291 mV;3DSG/NF优异OER性能主要是因为掺杂硫原子极大增强了催化活性以及石墨烯包覆的镍三维骨架增强了催化稳定性。3.研究了硫、氮共掺杂石墨烯泡沫及其复合材料的可控制备及其电催化性能。（1）对石墨烯泡沫（3DG）进行氩等离子体预处理后在含有硫氮掺杂源的气氛中退火,制备了硫氮共掺杂石墨烯泡沫。研究表明,氩等离子体预处理产生的丰富缺陷位点,不仅有利于硫、氮原子掺杂进入石墨烯晶格,还可作为HER催化活性位点,与硫、氮原子形成协同作用,极大的增强3DG的催化性能,其Tafel斜率从182 mV dec^-1降至75 mV dec^-1。（2）以吩噻嗪为碳源和硫氮掺杂源,采用CVD工艺在泡沫镍上制备了硫氮共掺杂石墨烯泡沫复合材料（3DSNG/NF）。研究表明,3DSNG/NF具有优异的OER性能,其Tafel斜率仅为45.61 mV dec^-1;其优异的OER催化活性主要来源于硫和氮掺杂原子以及泡沫镍表面部分氧化态的镍。（3）采用水热法在3DSNG/NF上制备了NiSe₂/3DSNG/NF复合材料。研究表明,NiSe₂/3DSNG/NF在酸性和碱性电解液中均具有优异的HER催化性能,其在酸（碱）性电解液中的Tafel斜率为28.56（75.95）mV dec^-1,10 mA cm^–2的过电位为130（177）mV;NiSe₂/3DSNG/NF在碱性电解液中还具有优异的OER催化性能,其Tafel斜率仅为42.89 mV dec^-1,100 mA cm^–2的过电位仅为256 mV;NiSe₂和硫、氮掺杂原子作为催化活性位点,结合导电三维骨架,有效地增强了其电催化活性和稳定性。