纤维素和木质素是地球上储量最丰富的可再生资源，而碳素材料由于其独特的结构与性质一直是研究热点。本文以碳素材料中研究较为成熟的石墨和处于研究前沿的石墨烯为研究对象，探究纳米纤维素与木质素这两种可再生资源在这一领域中的应用，这将扩大纳米纤维素与木质素的应用范围，促进碳素材料的发展与应用。首先，本文开发了加水析出和加热析出两种纳米纤维素制备方法，并使用加水析出法纳米纤维素（WNC）与氧化石墨烯（GO）制备了纳米纤维素-氧化石墨烯复合材料。WNC宽度约为20nm，长度约为200nm，为纤维素Ⅱ型结晶结构，结晶度为22.32%，具有受热易分解且分解放热、降解后残余比普通竹浆纤维素多的特点，WNC薄膜的抗拉强度为64.7MPa，杨氏模量为3062.8MPa，可见光透过率高达91.7%。加热析出法纳米纤维素（HNC）的宽度处于10~100nm间， XRD、FTIR、热性能等测试结果表明HNC在制备过程中分子结构未发生变化，但纤维素晶体由I型结构转化为II型结构，与WNC相比，HNC具有更高的纤维素II型晶体结构比例和结晶度，这造成了HNC具有不同的热性能和更好的力学性能。HNC薄膜的透光率为89.7%，抗拉强度为84.9MPa，杨氏模量为4933.6MPa。WNC在析出过程中包裹于氧化石墨烯表面，WNC与GO均匀混合并形成具有层层叠加结构的WNC-GO，WNC-GO薄膜的抗拉强度为84.3MPa，杨氏模量为4406.2MPa。所开发的两种纳米纤维素制备方法均具有操作简单、溶剂可重复使用、环保、能耗低的优点，克服了传统制备方法中酸废液回收困难、制备能耗高、污染大等缺点，而WNC-GO薄膜则在柔性电极方面具有潜在应用价值。本文还研究了木质素在石墨导电纸的增强作用以及木质素磺酸盐在超声剥离法制备石墨烯中的应用。通过控制双氧水用量的方法成功制备了具有不同木质素含量的纤维素纸浆，并研究了木质素含量对石墨导电纸性能的影响，结果表明木质素具有增强石墨导电纸力学性能的作用，并对导电性能无明显影响。通过碱溶酸析的方法成功制备了具有不同木质素添加量的纸张，并研究了木质素添加量对石墨导电纸性能的影响，结果表明木质素加入后，石墨导电纸的力学性能及导电性能都得到了提高。以石岘木钠作为分散剂对膨胀石墨进行超声剥离制得浓度为0.0534mg/mL，尺寸约为3μm，厚度约为3nm，层数为2~3层的石墨烯，研究了木质素磺酸盐分子量、浓度、来源对石墨烯制备效果的影响，结果表明分子量级分为2500~10000Da、亲水官能团含量为4.69mmol/g、浓度为1mg/mL的石岘木钠对于石墨烯具有较好的分散效果。将木质素成功应用于石墨导电纸和石墨烯中，这对促进木质素的高附加值应用和提高石墨导电纸和石墨烯的性能具有重要意义。