石墨烯的二维碳结构赋予了它一系列优异的性能,如高导电性、高导热能力、很高的杨氏模量和巨大的理论比表面积等。石墨烯巨大的理论比表面积和良好的物质及电子传输能力让人们对它在催化领域的应用抱有很大的期望;然而完美石墨烯是一个零带隙的材料,不具有催化活性。因此,为了实现石墨烯在催化领域的应用,人们开发了许多功能化的手段来实现这个目标,如杂原子掺杂、负载金属纳米粒子或者构建石墨烯基的复合材料等。受限于石墨烯的合成和功能化的手段,现有的这些方法对石墨烯催化性能的提升十分有限。因此,本文基于小分子缩聚直接合成的思路,利用不同的前驱体分子,通过调节合成条件,对于二维的碳骨架实现了不同的催化功能化,如特殊碳氮结构(三嗪环)而非分散的氮原子、镶嵌于层间的纳米粒子而非简单的负载和单金属原子修饰的二维碳氮材料;实验数据证明我们的功能化的手段对于石墨烯的催化性能有了非常巨大地提升。具体的研究内容如下:(1)以葡萄糖和双氰胺为前驱体,通过一步煅烧的方式合成了具有高比表面积和褶皱结构的三维石墨烯聚集体。利用此三维聚集体的超吸性能在不同的表面上构建了超疏水或者超亲水的表面,所得到的表面具有微米和纳米尺度的微观复合结构。超疏水的性能主要来源于材料表面所吸附的空气层,而超亲水主要来源于表面吸附的水层。通过自然干燥和乙醇预浸润,所得到的表面可以很容易地在超亲水和超疏水之间相互转化。基于此方法制备的超疏水的三聚氰胺海绵或者镍网能在重力作用下高效分离油水混合物,具有很好的应用前景。(2)基于我们合成的石墨烯对于气体分子的超吸性质,向二维的碳骨架中引入了特殊的碳氮结构(三嗪环),所得到的样品命名为TA-G。三嗪环引入之后进一步提升了TA-G对于小分子(此工作中特指氧气)的吸附性能,TA-G可以被用作原子级别厚度的催化剂,在室温下活化氧气来氧化有机底物。通过理论计算结果和实验数据证实了三嗪环和碳所形成的特殊的C-N结构,比单独的氮原子(石墨氮或者吡啶氮)掺杂的石墨烯具有更强的氧气吸附能力,因而也具有更高的催化活性。这种特殊结构的引入为石墨烯的功能化开拓了一个新的思路,可以用来合成有应用前景的绿色催化剂。(3)向我们所合成的二维碳骨架中引入了Co纳米粒子,合成了镶嵌Co纳米粒子的氮掺杂的石墨烯。Co纳米粒子引入后,镶嵌于石墨烯的层间,与二维的碳骨架之间有非常强的相互作用;这种作用改变了碳骨架中C的电子结构,赋予了它十分优越的电催化还原氧气的性能。利用此方法合成的催化剂具有比商业化Pt/C更正的起始电势、半波电势、更好的甲醇耐受性和更优越的稳定性。(4)把引入的客体成分的尺度进一步缩小到原子级别,得到了单分散的Fe中心修饰的二维金属/氮/碳纳米复合材料。这种复合材料可以打破均相催化剂和异相催化剂之间的“材料壁垒”,可以在温和的条件下利用氧气催化液相反应。这种材料的构建方法可以极大的改善苯甲醇氧化过程中底物分子和氧气分子与活性中心Fe的接触。该催化剂还具有很好的机械、化学稳定性和循环使用性。这种合成二维金属/氮/碳复合材料的方法对于不同的金属都具有普适性,可以通过调控不同的金属中心得到一系列新型的二维催化剂,在绿色合成和绿色化学有很重要的意义。