石墨烯以其独特的二维结构和物化性质成为纳米领域的一颗新星,在能源、环境、催化等多个领域具有广泛的应用前景。目前,天然鳞片石墨是制备石墨烯及其衍生物的主要原料,开发制备石墨烯材料的新原料与工艺方法,对其应用和发展具有重要意义。石油焦是炼化生产中大量副产的废料,随着原油重质化程度的不断提高,石油焦的高附加值利用已成为炼化行业的一大难题。石油焦具有与石墨类似的片层结构,在制备石墨烯材料方面展现出巨大的应用潜力。因此,基于石油焦的结构特性,开发合理的工艺方法,以石油焦为原料制备石墨烯材料,并通过表面化学改性合成高效的非金属催化剂,不仅有望为石油焦的利用提供新的思路,同时也为石墨烯材料的制备与绿色应用开辟新的途径。本文以石油焦为原料,对化学氧化法进行设计和改进,制备出具有不同结构特点的石油焦基氧化石墨烯(PCO),并对PCO进行进一步表面化学改性,合成新型的非金属催化剂,探索其催化环氧开环反应与电催化氧还原反应(ORR)性能,具体研究内容与结论如下:(1)首先,以石油焦为原料,对传统化学氧化法进行改进,开发出三种制备PCO的工艺方法,研究探讨了氧化剂种类、用量、氧化时间等关键因素对氧化剥离产物的影响规律。研究结果表明,三种改进化学氧化工艺方法均能实现石油焦的氧化与充分剥离,氧化剂种类对PCO的结构具有重要影响,硝酸根离子给PCO带来更多褶皱和边缘缺陷,磷酸根则使PCO具有平整有序的平面结构。(2)其次,对PCO进行化学还原制备了还原氧化石墨烯(RPCO),利用浓硫酸和对胺基苯磺酸对其进行磺化,制备了磺化石墨烯(SPCO),研究了其催化环氧开环反应性能。研究结果表明,SPCO可作为固体酸催化剂高效催化氧化苯乙烯开环反应。RPCO结构是影响活性中心分布与催化性能的重要因素,具有丰富褶皱的RPCO利于浓硫酸在其边缘和缺陷处引入磺酸根,平整有序的RPCO利于对胺基苯磺酸对其平面进行磺化。(3)最后,利用硫脲和植酸对PCO进行掺杂改性,高温煅烧制备了氮、硫、磷掺杂石墨烯(N,S,P-PCO),研究了掺杂方式、煅烧温度、PCO结构对其电催化ORR性能的影响。研究结果表明,与硫脲单掺杂相比,硫脲和植酸形成的超分子聚合物可有效避免高温碳化过程中的结构塌陷和堆叠,形成利于传质和电子传输的三维结构,使得ORR反应活性大幅度提升。经900度煅烧的N,S,P-PCO材料初始电位仅-0.05V,极限电流接近商用Pt/C电极。