石墨烯是具有单原子层厚度的二维石墨晶体材料。石墨烯优异的性能使其具有广泛的应用。通过微结构控制可以优化石墨烯材料的性能。本论文主要研究了石墨烯的尺寸、多孔结构以及石墨烯复合材料界面微结构的控制原理与技术,并揭示了石墨烯微结构对其复合材料的光学、电学、力学以及催化等性能的影响。通过调节水溶液酸碱性对石墨烯片进行了有效的尺寸分级。在p H=4.0的水溶液中,尺寸超过40μm2的石墨烯片可选择性沉淀分离。该尺寸分级技术简便、便宜、绿色环保,能够实现大规模工业级应用。石墨烯片的尺寸能够影响其宏观材料的性能:大尺寸石墨烯片所组装的LB膜具有较高的导电性和较低的透光性,其抽滤膜具有更紧密的层间排布和更好的力学性能。通过在浓硝酸中回流石墨烯水溶液,宏量制备了石墨烯纳米筛。调节回流时间可以控制石墨烯纳米筛的孔径大小,孔径尺寸介于纳米与百纳米之间。与传统石墨烯相比,多孔结构赋予了石墨烯更多的羧基官能团,更完整的共轭结构和更好的溶液分散性。多孔石墨烯的薄膜材料具有更高的透光率和更紧密的堆积结构。该多孔石墨烯的制备方法可控,且可进行宏量制备。通过氢键作用有效控制了石墨烯/壳聚糖复合薄膜的界面微结构,从而提高了其力学、电学性能。该薄膜的层状微结构与贝壳的“砖-泥”结构相仿。在石墨烯填充6 wt%时,界面结合力最强,机械强度超过贝壳。石墨烯片层在复合材料界面形成导电网络,导电率可达1.28 S m?1。以石墨烯片为分子模板诱导了碳酸钙的晶体生长过程。通过控制反应条件实现了对石墨烯/碳酸钙晶体的界面作用的调控,以控制各种碳酸钙晶型的选择性生长。其中,六边形石墨烯/碳酸钙复合晶体可用于仿贝壳结构层状复合膜的制备,其杨氏模量接近天然贝壳。以三维多孔石墨烯凝胶/泡沫镍作为模板,原位生长了尺寸均匀的铂纳米粒子。三维组装的石墨烯多孔结构有效提高了催化剂/反应物的界面的利用率,为离子和电子传输提供了优质通道。这种复合的三维体系可用于甲醇燃料电池催化,三维的复合界面赋予了催化体系更优越的电化学活性,稳定性和耐一氧化碳中毒能力。