近年来,随着纳米碳材料的发展,关于高电化学性能和高催化活性的电极材料的研究也蓬勃发展起来。石墨烯拥有极大的比表面积和优良的电化学性能,在锂离子电池、燃料电池以及环境保护领域等诸多方面显示出巨大的应用前景。本论文主要研究还原氧化石墨烯基金属或金属氧化物多元复合材料在不同领域的应用情况。具体内容如下:(1)通过水热共沉淀的方法制备出了负载在氮掺杂石墨烯上的NixCo1-xFe2O4(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)目标产物(Nx/NG),并将其作为负极材料首次应用在锂离子电池领域,同时也系统地研究了 Ni和Co组分对样品的电化学性能产生的影响。复合材料中NixCo1-xFe2O4纳米颗粒(Nx)的粒径大小随着Ni/Co的组分比例的改变而变化。其中,Ni0.4Co0.6Fe2O4有着最小的粒径,约10 nm,并且均匀地分布在氮掺杂石墨烯的片层上形成N0.4/NG产物。与其他产物相比,N0.4/NG作为电极材料有更好的电化学储锂性能。其初始比容量高达1367 mAhg-1,在电流密度为100 mA g-1下,经过50圈的循环测试后,其比容量保持率为87%。说明该材料有着很好的可逆稳定性和优异的电化学性能。N0.4/NG性能优异的原因主要来源于N0.4本身的小尺寸效应等物理性能、石墨烯的优异物化性能和N0.4与石墨烯之间的强的相互作用。这不仅扩大了产物的比表面积,还提高了离子/电荷的转移速度。镍和钴元素的相互替换掺杂以及氮对石墨烯的掺杂可以进一步提高Nx/NG的导电性。氮掺杂石墨烯和N0.4之间的强烈的相互作用带来的协同效应可以大大提高N0.4/NG作为锂离子电池负极材料的电化学性能。该研究结果不仅可以拓展掺杂石墨烯基电极材料在锂离子电池方向的应用,还能促进新能源的发展。(2)将系列Nx/NG材料作为非贵金属催化剂应用在燃料电池领域,系统测试了其催化氧还原的性能。通过电化学测试发现,不同钴含量对应的样品在碱性条件下均具有氧还原能力,只是能力大小不同而已;并证明对该系列产物的氧还原能力起重大作用的是铁酸钴和氮掺杂石墨烯;通过对产物的循环伏安(CV)和线性扫描(LSV)测试对比,发现N0/NG样品的氧还原能力略高一筹,而且有着和商业铂碳一样的4电子还原机理和稳定性,还比商业铂碳有更好的抗甲醇能力。同时还发现产物的氧还原能力的大小不仅与样品的结构,形貌等有关,还与样品的测试浓度和使用Nafion溶液的体积百分数有关,通过调控这两个参数和样品的形貌,来实现寻求一种具有最佳氧还原能力的催化剂的目的。该样品在燃料电池领域中着发挥或大或小的作用,增加了产物应用的多元性,同时也在一定程度上提高了所用原料的应用价值。(3)采用水热合成方法制备了钴-石墨烯纳米复合材料(Co-G)。通过X-射线衍射和透射电子显微镜技术分析,钴单质呈面心立方晶相,并较均匀地分散在石墨烯片层上。液体核磁测试数据表明在0.1 M的NaHCO3的电解液中,电解电位-1.8 V下的还原产物是乙醇。在长达15小时的控制电位电解实验中,呈现出较高的还原能力及较高的稳定性,电流密度基本维持在16.2mA·m-2。相比于密排六方的钴单质,其还原能力有过之而无不及,而且首次发现,还原产物是具有更高商业价值的乙醇。对于电化学还原二氧化碳来说,该材料在还原制备碳氢燃料方面有着举足轻重的价值,是值得进一步开发利用的电极材料。