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石墨烯(graphene)及其纳米复合材料以其优异的电学、热学、光学性能，以及较大的比表面积与独特的二维结构，成为当今科研领域研究的重点。近年来，石墨烯被广泛应用于能源与环境方面，特别是在超级电容器、电化学催化剂等方面显示出很好的应用前景。本论文在述评石墨烯基纳米复合材料，主要是纳米复合材料的合成、应用以及发展趋势的基础上，系统研究了热还原氧化石墨烯(TRGO)负载的碳包覆FeCo纳米晶、还原氧化石墨烯(RGO)负载的MnO2与Ag纳米粒子、碳包覆Ni3S2、多孔NiCo2O4纳米片、多孔六边形NiCo2O4纳米片、多孔Co3O4纳米片、CoP纳米粒子、Co3ZnC微球等复合材料的合成方法、形成机理、形貌与微结构，重点研究了复合材料在电化学超级电容器、电催化等方面的应用。具体如下: 1.首先通过原位生长的方法将Co2Fe(CN)6负载于氧化石墨(GO)表面，再将中间产物高温煅烧成功制备出TRGO负载的氮掺杂碳包覆FeCo(FeCo-NCNS)纳米晶复合物(FeCo-NCNS/TRGO)。利用TEM、XRD、Raman、元素分析以及ICP-OES等对所合成产物进行表征，发现FeCo-NCNS纳米晶均匀的分布在TRGO表面。研究表明，所合成纳米材料具有优异的铁磁性能、较高的氧还原反应催化活性、以及明显增强的对对硝基苯酚还原反应的催化活性(反应速率常数达0.2398min-1，)。而且，复合材料的性能可以通过调节FeCo-NCNS在TRGO表面的负载量进行调节。这种多功能复合材料在磁学、催化等领域具有潜在的应用价值。 2.通过原位生长法使得MnO2纳米粒子负载在GO表面，然后利用Ag+与GO的一步还原制备出了Ag/MnO2/RGO三元纳米复合材料。利用XRD、TEM、Raman、X-射线光电子能谱仪(XPS)以及ICP-OES对目标产物进行表征。研究表明，Ag和MnO2粒子均匀分布于石墨烯的表面。该复合物作为电极材料时，在扫描速率为5 mVs-1时的最大比电容为467.5 F g-1，比MnO2/RGO二元复合物要高得多(293.2Fg-1)。而且，在前1000次循环中比电容一直增大，表明该复合物具有优异的电容稳定性。Ag/MnO2/RGO三元纳米复合材料显著增强的电容性能主要是由于Ag粒子的加入提高了复合物的整体导电性，促进了活性组分间电子的传输。 3.通过一种简单高效的水热合成法成功制备出RGO负载的碳包覆Ni3S2纳米粒子(CCNS)。利用XRD、TEM、Raman以及傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等技术对所合成产物进行表征。研究表明，CCNS纳米粒子均匀的分布于RGO的表面。作为电极材料时，RGO/CCNS纳米粒子复合物显示出比单独的CCNS及RGO更好的电容性能。在扫描速率为5 mV s-1时的最大比电容为860.1 F g-1，在电流密度为5Ag-1时，500个循环后比电容保持率为98.6％。该复合材料显著增强的电容性能主要归因于RGO与CCNS的协同效应，RGO的存在提高了复合物的整体导电性与比表面积。 4.通过一种溶液反应与热退火过程相结合的方法成功制备出RGO负载的多孔NiCo2O4纳米片(NCG)复合材料。利用XRD、TEM、Raman、FTIR等对合成产物进行表征，发现NiCo2O4均匀的分布于RGO的表面。所合成的NCG复合材料作为电极材料时，在电流密度为0.5 Ag-1时的最大比电容为1186.3 F g-1，在100次循环后的电容保持率为97％，这些都表明所合成复合材料具有优异的电容稳定性能。NCG复合材料的显著增高的电容性能主要是由于RGO的存在，RGO在NCG复合物中不仅充作导电渠道，而且可以作为活性界面方便NiCo2O4粒子在RGO表面的负载。 5.通过一种简单的水热合成与热退火相结合的方法成功制备出RGO表面负载的多孔NiCo2O4六边形纳米片(NCG)纳米复合材料。NiCo2O4纳米六方片均匀的分布在RGO表面。利用XRD、TEM、Raman等对合成产物进行表征。通过电化学测试，可知所合成复合材料具有比NiCo2O4更高的电容性能。在电流密度为0.50 A g-1时的最大比电容为947.4 F g-1，在电流密度为10.0 A g-1时的比电容为725.4 F g-1，且在电流密度为10.0Ag-1时，1000次循环后的比电容损失率约为1.4％。这主要是由于NCG复合材料中RGO相对较大的比表面积，优异的电学性能以及良好的网状结构所引起的。 6.通过一种简单的回流与热退火过程成功制备出了RGO表面负载的片状多孔的Co3O4。纳米孔均匀的分布在Co3O4的片上。通过电化学的测试，我们得到该复合物在电流密度为0.5 A g-1时的比电容约为518.8 F g-1，电流密度为10Ag1时，循环1500次后，比电容损失率仅为7.6％。该物质的优异的电容性能主要是由于石墨烯的优异的电学性质，较大的比表面积，以及Co3O4与石墨烯复合后形成的结构优势。简单的合成方法以及优异的电容性能使得Co3O4/RGO复合物有希望成为未来电化学电容器的电极材料。 7.通过一种简单的两步合成途径成功制备出了RGO负载的CoP纳米粒子复合物。CoP纳米粒子均匀的分散在RGO表面。我们研究了该复合物作为电催化剂电解水时的催化活性。结果表明，石墨烯的存在能够大大提高该复合物的催化性能，并且，Tafel曲线斜率为104.8 mV/dec，交换电流密度可达4.0×10-5 A/cm2，氢析出活化能为41.4 kJ/mol。另外，该复合物作为氢析出催化剂时在500次循环后电流密度没有明显的降低，表明该复合物在酸性溶液中具有很高的稳定性。这个结果可以归因于石墨烯的存在，石墨烯不仅增加了复合物的电化学导电性，而且还可以使得生成的CoP粒子较小，以提供更多的活性位点参与电化学催化反应。电化学测试的结果表明该复合物有望成为实际生产氢气过程中一种催化剂。 8.通过一种简单有效的两步合成途径成功的合成了一种新型Co3ZnC/RGO复合物材料，其中Co3ZnC微球均匀的分散于RGO的表面。Co3ZnC微球的平均尺寸为395 nm，具有多孔的结构且是由无数个核壳结构的平均粒径为24.2 nm的粒子组成。和单独的Co3ZnC微球催化剂相比，Co3ZnC/RGO催化剂的催化活性有很大的提升，具有较小的初始过电位(108 mV)、较小的Tafel曲线斜率(83.4 mV/dec)以及较大的交换电流密度(2.1×10-2 mA/cm2)。另外，由于催化HER的活性在循环1000次后没有明显的变化，表明Co3ZnC/RGO复合物催化剂在酸性溶液中显示出较高的电化学稳定性。较高的电催化活性主要归因于Co3ZnC微球的多孔结构、Co3ZnC纳米粒子的核壳结构以及复合物中RGO的存在。RGO的存在促进了电解质离子的渗透和转移以及提高了电子在电化学测试中的转移与传输。本方法也可以被用来合成其他的碳化物/RGO复合物纳米结构HER电催化剂。