石墨烯是一种典型的二维晶体,它具有优越的力学、热学、电学、光学性能,将来可能被广泛应用于高性能复合材料、仿生材料、生物医药、汽车能源等领域。目前,各种形态的石墨烯都是产业界和学术界的研究热点,包括石墨烯气凝胶、纳米孔洞石墨烯薄片和大面积单层石墨烯等。高质量石墨烯材料的制备,是其应用的前提,也是本文主要讨论的内容。本文主要包括两方面的工作:第一,纳米孔洞石墨烯薄片的燃烧法制备,及其在超级电容器中的应用;第二,通过对铜箔进行正压(高于大气压)退火提高国产商业铜箔上生长的大面积单层石墨烯的质量,并通过制备石墨烯-硅太阳能电池对石墨烯的品质进行了验证。第一章是绪论,主要介绍了石墨烯的基本概念以及各种形态的石墨烯的制备方法、研究现状和应用前景,并阐明了本文的研究动机。第二章讲述了纳米孔洞石墨烯薄片的制备方法,及其在超级电容器中的应用。第三章研究了正压退火对铜箔的结晶取向的优化作用,进而提高国产商业铜箔上生长的石墨烯的质量,降低了石墨烯批量生产的成本。第四章是对本文工作的总结和展望。第二至第三章的具体内容如下:第二章:纳米多孔石墨烯具有低电阻率、高比表面积以及高孔隙率等特点,是一种性能优异的超级电容器电极材料。本章重点介绍多孔石墨烯的制备方法,将氧化石墨烯气凝胶跟特定温度(200～300℃)的加热台接触,氧化石墨烯气凝胶会在极短时间内发生剧烈燃烧反应,生成含有大量纳米孔洞的石墨烯薄片。得到的石墨烯材料的比表面积最高可达536 m2·g1,且石墨烯层数小于5,石墨烯上的孔洞尺寸分布范围是0.4～2 nm。将制备的3D石墨烯气凝胶用作超级电容器的电极,测得其比电容高达245 F · g1。电极具有良好的循环稳定性(经过12000次充放电循环测试,比电容保持率高达96.9%)。第三章:实验室化学气相沉积(CVD)制备大面积单层石墨烯一般都是以阿尔法公司的高纯铜箔为衬底。相同条件下,以国产商用铜箔作为衬底很难制备高质量的大面积单层石墨烯。衬底退火是制备大面积高质量石墨烯的常用途径,我们发现在进行石墨烯生长之前,对铜箔进行正压退火可以显著拓宽大面积单层石墨烯的生长窗口。退火压强和时间对石墨烯的生长影响比较大,我们对此进行了详细研究。实验制备的大面积石墨烯单层率达到95%以上,面电阻约500Ω/口,载流子迁移率为2000-3000 cm2 · V-1 · s-1,光透过率达到97.24%。以此制作的石墨烯-硅太阳能电池的光电转换效率为4.99%-5.62%。