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石墨烯是一种高机械强度的二维材料,具有优异的电子传导、光学、力学特性,在材料科学、纳米加工、能源领域、医学和药物传递等领域具有重要的应用前景。石墨烯中碳原子为sp2杂化,呈六边形蜂窝网状晶格结构;每个碳原子还有一个电子未参与杂化,使得石墨烯具有优异的导电性;同时石墨烯还具有较大的比表面积,在能源材料科学领域具有很好的发展前景。石墨烯有两个表面,通过对其进行功能化,能够得到具有不同功能的石墨烯基材料。然而,二维石墨烯极易发生不可逆的折叠以及层之间的堆叠,在能源材料领域,这将会极大地损失电化学活性位点,将二维的石墨烯构造成三维结构,则可以解决这些问题。本论文通过模板法合成了不同种类催化活性的三维石墨烯基纳米材料,利用模板和石墨烯对金属前驱体产生的空间限域效应控制金属活性位点的大小（金属纳米团簇和金属单原子）,研究了其对析氢反应（HER）,析氧反应（OER）以及氧还原反应（ORR）的电催化性能,并进一步探究了其在锌空电池中的实用性。具体研究内容如下:1.以K2Pt Cl4和带正电的Si O2纳米球模板以及氧化石墨烯（GO）通过一步一步自组装的方法合成中间体Si O2@Pt Cl42-@GO,直接高温裂解中间体并碱洗除去模板后最终得到Pt纳米团簇功能化的石墨烯空心球材料Pt/GHSs。研究表明,合成的Pt/GHSs几乎完全继承了Si O2纳米球模板的形貌,石墨烯空心球的直径为150-200 nm;Pt呈纳米团簇的形式负载于石墨烯空心球上,ICP-AES测试结果显示其Pt的载量为4.1 wt.%。电化学研究表明,合成的Pt/GHSs具有与20 wt.%商业化Pt/C相媲美的HER性能,过电位分别为27和21 m V;1000圈CV后Pt/GHSs的过电位仅衰减了2 m V,明显优于同等条件下过电位衰减值为5 m V的Pt/C。说明金属Pt载量为商业化Pt/C五分之一的Pt/GHSs,具有与商业化Pt/C相当的HER催化活性,以及更好的电化学稳定性。2.以K2[Ni（CN）4]和带正电的Si O2纳米球模板以及氧化石墨烯（GO）通过一步一步自组装的方法合成中间体Si O2@[Ni（CN）4]2-@GO,直接高温裂解中间体并碱洗除去模板后最终得到单原子Ni功能化的石墨烯空心球材料Ni-Nx/GHSs。研究表明,合成的Ni-Nx/GHSs完美地继承了初始Si O2纳米球模板的形貌,石墨烯空心球的直径为150-200 nm;Ni呈单原子的形式锚定于石墨烯表面。电化学研究表明Ni-Nx/GHSs具有与商业化Ru O2相近的OER活性,过电位分别为389 m V和336 m V,并在更高的电位下,能够获得比Ru O2更大的电流密度。计时电流测试（CA）显示,Ni-Nx/GHSs仅产生较小电流衰减（剩余75.5%）,明显优于商业化Ru O2（剩余57.3%）。说明非贵金属Ni单原子和石墨烯构建的Ni-Nx/GHSs具有优异的OER催化活性和电化学稳定性。3.以K2[Ni（CN）4]、带正电的Si O2纳米球模板和氧化石墨烯（GO）以及肽菁亚铁（Fe Pc）通过一步一步自组装的方法合成中间体Si O2@[Ni（CN）4]2-@GO@Fe Pc,直接高温裂解中间体并碱洗除去模板后最终得到单原子Ni和单原子Fe分别负载于石墨烯空心球内层和外层的Janus材料Ni-N4/GHSs/Fe-N4。经过研究,石墨烯空心球的直径为150-200 nm,Ni和Fe都以单原子的形式分别负载于石墨烯空心球的内外表面,同步辐射吸收光谱（XAS）表明单原子Ni和Fe都分别与四个N配位。电化学研究表明,外层的Fe-N4组分对ORR具有较高的催化活性,半波电位(E1/2)为0.83 V,内层的Ni-N4组分对OER具有较高的催化活性,过电位(Ej10)为0.39 V,实验结果与理论计算相符。在实用性方面,Ni-N4/GHSs/Fe-N4基锌空电池充放电循环600圈（大约200 h）后,未出现明显衰减,充放电效率保持在52.2%,且比容量和能量密度分别为777.6 m Ahg Zn-1和970.4 Wh kg Zn-1,为理论容量(820 m Ahg Zn-1)和能量密度(1084 Wh kg Zn-1)的94.8%和89.5%,明显优于Pt/C+Ru O2基锌空电池(659.6 m Ahg Zn-1和844.3 Wh kg Zn-1)。说明所合成的Janus材料Ni-N4/GHSs/Fe-N4是一种同时有利于ORR和OER的双功能催化剂,实用性上,Ni-N4/GHSs/Fe-N4基锌空电池具有较大的比容量、能量密度,较高的充放电效率以及较好的循环稳定性。