自2004年被成功制备以来，石墨烯以其极为独特的结构及优异的电学、热学和力学等性能，已成为当前研究的热点，其在电子器件、传感器、储能材料和复合材料等领域中具有极为广阔的应用前景。本论文以石墨烯的改性为主要研究内容，对石墨烯进行了宏观形貌改性及化学掺杂改性，在目前与石墨烯相关的热门课题中，选择并深入研究了海绵状石墨烯的制备、氮掺杂石墨烯的制备以及氮掺杂双层石墨烯模型电学性质的第一性原理计算这三方面内容。　　前两方面属于石墨烯的改性研究实验部分，结合当前国内外研究背景，将氧化石墨烯溶液冷冻干燥后，利用微波辐照法，实现了海绵状石墨烯快速、简便、环保的制备。采用NH4+插层氧化石墨，再经高能微波处理，可得到氮掺杂石墨烯，并具有简便易行、安全、成本低、易于大规模生产等优点。对于各产物，使用SEM、TEM、XRD、FT-IR、XPS等检测方法对其形貌及结构进行分析表征。　　此外，本论文还介绍了第一性原理以及密度泛函理论的相关原理与方程，并使用Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块来构建计算模型，再选用CASTEP计算模块，使用局域密度近似(LDA)泛函对模型进行结构优化，广义梯度近似(GGA)中的PW91泛函对模型的电子特性进行计算。获得的计算数据主要包括各模型的点阵结构、电荷分布、自旋极化以及能带和态密度等。重点分析了掺杂N原子的存在对双层石墨烯模型能带结构的影响，探讨了吡啶N、吡咯N和石墨N三种不同类型掺杂N原子对模型结构与性能的影响，希望相应的理论研究结果可以更好地指导相关实验，并可以为后人的研究提供参考。　　本论文的研究主要得到以下结论:　　(1)以改进的Hummers制备得到的氧化石墨为溶质，分别以水及水/叔丁醇混合溶液为溶剂进行冷冻干燥，制备疏松多孔的海绵状氧化石墨烯作为前驱体。采用微波辐照法，可以在保留前驱体形貌的基础上，充分还原海绵状氧化石墨烯，得到海绵状石墨烯。还原产物中残留的氧元素含量大幅降低，并具有较低的石墨层数，微波还原的效果较为理想，实现了海绵状石墨烯快速简捷的制备。　　以水-叔丁醇混合溶液代替水作为溶剂，可以极大地缩短冷冻干燥时间。叔丁醇的加入，并不影响微波剥离的效果;而使得氧化石墨烯出现团聚，改变了海绵状氧化石墨烯的聚集方式，前驱体的形貌、颜色等也出现明显区别，其特征峰存在一定程度的偏移，而产物的物相结构和所包含的官能团无明显的变化。加入叔丁醇后冷冻干燥可获得孔径更为细小的海绵状氧化石墨烯，最终得到的海绵状石墨烯产物则具有更大的比表面积和更好的吸附性能。　　(2)高能微波辐照法，通过高功率诱导激发前驱体处于非稳态，并产生剧烈热运动;结合真空负压环境，强化石墨烯的剥离效果，最终实现了NH4+插层氧化石墨的快速剥离及氮掺杂，可得到石墨层数较低的氮掺杂石墨烯产物，产物具有非常良好的还原效果，而N原子的掺入也使得最终产物中O元素的含量进一步降低。　　本方法制备的产物剥离/还原效果显著，适合大批量快速生产，极大地提高了石墨烯产品的制备效率。产物中N元素含量在2-5.5at％之间，N元素以吡啶N，吡咯N和石墨N的形式掺杂入石墨层中。对于掺入的N原子，N-G1与N-G3中吡啶N原子所占比例较大，而N-G2中则是石墨N所占比例较大，相应的N-G2在掺杂过程中形成的缺陷也较少。　　(3)通过分析计算数据可知，掺杂N原子的存在引发电荷局域，对各模型的能带结构都具有较为明显的影响。　　双层石墨烯的能带在费米面上存在轻微的分裂，当存在石墨N掺杂时，电荷主要局域在N原子处，并与近邻的C原子形成稳定的共价键结构，最终使得石墨N掺杂双层石墨烯模型的能带呈现n型半导体性质，其带隙宽度约为0.4eV。　　空位以及晶格失配等缺陷的存在对能带结构的影响起主导作用，吡啶N系列模型（包括PN系列、2PN系列、3PN等）以及吡咯N模型(PLN)的能带都表现出p型或类似p型的半导体性质。　　如对于PN系列模型，N原子所局域的电荷较高，形成的C-N键也更为稳固，从而引发电子态密度较大程度的改变，对模型能带结构的影响更为明显，将其从H空位的间接带隙，转化为石墨烯常见的直接带隙，禁带宽度在0.1eV左右，且仍为p型半导体。对于2PN系列和3PN模型，都已不存在带隙，导带与价带相交，呈金属性。并且都在各原子的2p轨道态电子作用下，存在自旋极化，模型表现出亚铁磁性，而3PN模型的亚铁磁性更为显著。　　PLN模型中同样由于缺陷对能带结构的影响占主导地位，其呈现p型掺杂特性。而吡咯N原子的存在同样可以引发电荷集中，减小费米面的下移，得到禁带宽度为0.23eV的直接带隙结构半导体。　　另一方面，当双层石墨烯存在空位缺陷时，由于其能量较高，易于形成能量较低的吡啶N掺杂产物。而3PN模型的形成能最低，意味着在有充足N原子存在的前提下，在实验中适当增加离子退火的时间，可以使得存在1或2个吡啶N掺杂的产物逐渐向3PN结构转化，从而得到3PN结构占极大比重的产物。这对相关的氮掺杂实验同样存在理论指导意义。