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石墨烯是一种由sp2杂化碳原子紧密排列成蜂窝状晶格结构的单原子厚度的二维炭材料。由于其独特的超薄二维结构及优异的物理化学性质，有望在纳电子器件、透明导电膜、锂离子电池和超级电容器等诸多领域获得广泛应用。自2004年被报道以来，石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域的研究前沿，其发展很大程度上依赖于高质量石墨烯制备方法的开发及在此基础上对其潜在应用的探索。化学剥离法是一种很有发展前景的低成本、宏量制备石墨烯的方法，但该方法所制备的石墨烯可控性差、质量低、导电性差。本论文以化学剥离法宏量制备石墨烯为主，以制备层数可控、高导电性的高质量石墨烯为目标，并在此基础上针对其其作为场发射材料和高性能储能材料应用开展系统深入的研究。
在石墨烯的可控制备方面：(1)提出了利用化学剥离控制石墨烯层数的方法。以尺寸与结晶度不同的石墨为碳源，一定程度上实现了石墨烯层数的可控制备，宏量制备出单层、双层和三层占优的高质量石墨烯；(2)发展了氢电弧膨胀解理氧化石墨的方法，制备出具有优异导电特性和高热稳定性的高质量石墨烯。与普通快速加热方法相比，该方法所制备的石墨烯的抗氧化温度提高了近100℃，电导率提高了近2个数量级，高达2×103S cm-1；(3)利用化学裁剪法高效制备出石墨烯纳米带，其产率可达5wt％，其中75％为单层石墨烯带，40％的石墨烯带的宽度小于20 nm。基于理论计算和实验观察，提出了化学裁剪氧化石墨烯制备石墨烯带的机制。
在石墨烯宏量制备的基础上，进一步开展了对石墨烯的应用探索：(1)利用电泳沉积法制备出石墨烯薄膜并研究了其场发射性能。结果表明：电泳沉积是制备表面均匀致密、厚度可控且含有丰富边界突起的单层石墨烯薄膜的有效方法。所制备的石墨烯薄膜具有与碳纳米管薄膜相比拟的场发射特性：低的开启电场和阈值、高的场发射稳定性和均匀性；(2)合成了氮/硼掺杂的石墨烯作为高容量、高倍率负极材料，适合于大电流密度充放电的锂离子电池应用。掺杂石墨烯电极材料不仅在较低充放电条件下具有高的比容量(>1040 mAh g-1)，而且能够在较短的充放电时间内获得高比容量和高倍率性能，并具有优异的循环性能。在电流密度为25 Ag-1、充电时间仅为30 s时，可逆比容量达到200 mAh g-1；(3)提出了锚固结构模型，利用协同效应构建了三种典型的用于高性能储能电极材料的金属氧化物/石墨烯复合材料。基于不同的储能应用目标，有针对性地设计、发展、构建了三种典型的纳米结构金属氧化物RuO2、MnO2、Co3O4与石墨烯的复合材料作为电极材料分别应用于高性能对称超级电容器、高能非对称超级电容器和高容量锂离子电池。研究表明，石墨烯与氧化物之间存在显著的协同效应。和纯氧化物电极材料相比，复合电极材料的比容量、倍率性能、循环性能、能量密度和功率密度普遍得到改善。这些研究结果为更加合理地将石墨烯应用于储能器件领域提供了新的思路。