随着电子器件的快速发展,人们对器件核心材料的尺寸、边界形态和性能要求也越来越高。石墨烯作为导电、导热、机械性能优异的二维碳纳米材料,自问世以来,关于它的制备、尺寸以及形貌控制一直是学者们关注的热点问题。目前,氧化石墨超声剥离后再经化学还原是宏量制备石墨烯的常用方法。但是在氧化过程中,石墨单层结构即石墨烯,其尺寸会减小,且片段形貌难以控制,使得同批次制备的石墨烯性质不同。当前,石墨烯氧化、裂解机制尚不明确,了解该机制不仅有助于对氧化反应进行有效调控,也有利于找到具有特定形状和尺寸的石墨烯合成方法。本文通过量子化学计算,使用密度泛函理论(DFT)方法对完美和缺陷态石墨烯的氧化过程以及碳碳键的断裂机理进行深入的研究。在第三章本论文通过理论计算研究了完美石墨烯在水溶液中被高锰酸钾氧化的情况和在羟基-环氧对的驱动下引发碳碳键断裂的机制,揭示了石墨烯表面含氧基团的起源,指出了异面羟基-环氧对是导致石墨烯碳碳键断裂的重要前驱体。密度泛函理论计算表明,高锰酸酯水解首先引入的羟基在石墨烯的整个氧化切割机制中起着重要作用。通过反应路径的搜索,发现无缺陷石墨烯的氧化裂解可同时从边缘和内表面发生,两条反应路线中最大能垒高度相当。与以往只产生锯齿型边缘的石墨烯裂解机制不同,本文提出的新机制涉及石墨烯两个可能的反应面、包含羟基这一广泛存在却常被忽视的表面官能团。该机制允许石墨烯氧化切割后产生丰富的边缘状态(线性断裂产生锯齿型边缘,非线性断裂产生扶手椅型边缘),与实验结果相符。在第四章本论文主要对常见的缺陷态(单空位和双空位缺陷)石墨烯进行了氧化切割机理研究。结果表明,高锰酸根倾向于与缺陷边缘处碳原子结合。单空位悬空的三个碳原子极易与高锰酸根的三个氧原子键合,并且高度稳定,导致该结构难以通过水解反应形成羟基,造成石墨烯氧化切割难以从单空位处起始。在双空位上,高锰酸根倾向于以单个氧原子与缺陷处单个碳原子结合。虽然其水解生成羟基比较困难,但是面内羟基可以跃迁至缺陷处碳原子进而引发碳碳键的断裂。本文对双空位缺陷态石墨烯进行了线性和非线性方向上碳碳键连续断裂的能垒计算,发现非线性方向上数值更低,但是二者相差不大。虽然双空位缺陷被认为是化学性质稳定的石墨烯缺陷结构,但当双空位缺陷处形成羟基后,石墨烯在强氧化剂的作用下会加速氧化刻蚀过程。