自从石墨烯在2004年被成功制备之后，这种具有独特热学、电学、光学和机械性能的材料立刻引起了科学界的关注。在制备石墨烯的众多方法之中，化学气相沉积（CVD）法被认为是大规模制备高质量石墨烯的最佳方法之一。科研人员对CVD法制备石墨烯的实验和理论进行了大量研究，并取得了丰硕的成果。但是关于石墨烯的沉积过程依然存在关键的热科学问题需要继续研究，比如甲烷在衬底中的扩散和吸附规律；高温条件下氢气对甲烷吸附及石墨烯生长的影响；沉积过程中气相反应对石墨烯生长的影响等。这些问题不仅妨碍了石墨烯制备理论的完善，并且成为大规模制备高质量石墨烯的限制因素。在石墨烯的应用研究方面，能源及热科学领域的专家和工程师巧妙地利用石墨烯独特的性能，制备了各种石墨烯改性的功能材料和器件。但是目前这些研究还处于初始阶段，石墨烯改性的功能材料和器件的性能及相关理论还有巨大的提升空间。本文首先采用常压CVD法制备二维平面石墨烯和三维石墨烯网状物（3DGNs），围绕石墨烯生长过程中存在的相关热科学问题，以及如何制备高质量的样品展开研究；然后采用CVD法和化学氧化还原法制备的石墨烯（RGO）分别修饰热界面材料、染料敏化太阳能电池和光催化剂，研究两种方法制备的石墨烯对上述材料和器件性能的提高及相关作用机理。针对铜衬底表面二维平面石墨烯的生长过程，本文计算甲烷在衬底表面的吸附规律；研究铜衬底对石墨烯生长发挥的作用；讨论沉积过程中气相反应对石墨烯生长的影响；确定气相反应产物与衬底表面石墨烯生长的先后顺序；探索高温下石墨烯的反应活性；揭示不同沉积条件对石墨烯生长的影响。研究结果表明：在沉积温度条件下（1073K），甲烷在铜表面的覆盖率只有常温时的~0.7%；气氛中的氢气会和甲烷争夺衬底表面的活性吸附位，降低甲烷的覆盖率。铜衬底的电子结构对石墨烯的生长发挥重要作用，铜原子d轨道的未配对电子对衬底表面吸附的甲烷具有催化脱氢作用，由此得到的碳原子在衬底表面进行自组装形成石墨烯。铜表面石墨烯的生长速率比气相产物（稠环芳香烃）的生长速率更快，同时石墨烯具有高反应惰性，因此其将铜衬底与气相产物隔离，避免在衬底表面上生长无定型碳。沉积条件对石墨烯的质量和厚度有直接的影响，适当提高反应温度有利于减少石墨烯的缺陷密度；提高甲烷浓度会导致石墨烯厚度的增加；气氛中氢气的浓度越高，石墨烯的缺陷密度也越高。本文进一步研究了泡沫镍衬底表面3DGNs的沉积过程，分析并计算甲烷在泡沫镍多孔介质中的扩散规律及扩散系数；计算不同温度时甲烷在衬底表面的覆盖率；讨论3DGNs生长的动力学控制因素；提出“准扩散系数”概念，研究3DGNs的生长规律；考察沉积条件对3DGNs生长的影响。研究结果表明：沉积过程中甲烷在泡沫镍中的扩散遵守Fick定律；甲烷在衬底表面的覆盖率随温度的升高而下降，气氛中的氢气对甲烷在泡沫镍表面的吸附具有抑制作用。确定甲烷扩散是3DGNs生长的动力学控制因素。根据“准扩散系数”的值拟合3DGNs的尺寸与生长时间的关系，拟合3DGNs的厚度与其生长位置（距离泡沫镍端点的长度）的关系。通过比较计算值和实际值，发现“准扩散系数”可以较好的描述3DGNs的生长规律，并且可以进一步预测3DGNs的尺寸随沉积温度的变化规律。沉积条件对3DGNs的生长具有直接影响，适当提高沉积温度和氢气浓度有利于降低3DGNs的缺陷密度；提高甲烷浓度可以增加3DGNs的厚度和尺寸。为了研究石墨烯在热界面材料中的应用和相关机理，本文分别采用CVD法制备的3DGNs和化学法RGO对环氧树脂进行改性。测试环氧树脂改性前后的热导率；分析石墨烯的作用机理；研究两种方法制备的石墨烯对环氧树脂热导率提高程度不同的原因；计算两种方法制备的石墨烯与环氧树脂之间的界面接触热阻率；揭示RGO表面官能团对提高复合热界面材料热导率的作用；研究高温条件下，复合热界面材料的热导性能的稳定性及存在差异的原因。实验结果表明：环氧树脂的热导率随着两种方法制备的石墨烯含量的增加而提高，其中3DGNs作为填料时，环氧树脂热导性能的增强更加明显。在改性后的环氧树脂中，两种石墨烯都充当热输运通道的角色，其中3DGNs的连续结构提供相对丰富的热输运网络，因此由其修饰的环氧树脂表现出相对高的热导率。计算结果表明：3DGNs和RGO与环氧树脂之间的界面接触热阻率分别为：6.3×10-9和3.1×10-9m2KW-1。RGO表面残留的官能团可以发挥桥梁作用，实现石墨烯纳米片与环氧树脂之间更好的热接触。从室温到393K范围内，RGO改性的环氧树脂的热导率表现出较高的稳定性，这是因为温度上升引起的Kapitza热阻的减小基本可以弥补Umklapp热阻的增加。针对石墨烯在能源领域的应用，本文采用CVD法制备的3DGNs和RGO修饰染料敏化太阳能电池的光阳极。研究两种方法制备的石墨烯对光阳极和染料敏化太阳能电池光伏性能的提高并比较差别，给出理论解释；提出具有三层结构的光阳极，优化RGO在染料敏化太阳能电池中的应用，系统研究光阳极中输运层和散射层的作用及相关机制。研究结果表明：3DGNs修饰的器件的光伏特性优于RGO修饰的器件。因为3DGNs输运电子的能力优于RGO，同时3DGNs的连续结构为光生电子的快速输运提供丰富的通道。具有优化的三层结构的光阳极（采用RGO为改性材料）能有效提高染料敏化太阳能电池的光伏特性。其中输运层可以提高工作层中光生电子的利用率，减小暗电流，提高器件的能量转换效率。散射层能增强光阳极对入射光的散射能力，提高光电转换效率，增强光阳极对染料的吸附能力。最后，本文采用RGO修饰钛酸纳米管，研究复合光催化剂的催化性能及相关机理。考察复合光催化剂在紫外及可见光照射下的光催化活性；验证复合光催化剂可见光活性的来源；解释可见光照射下光生电子在RGO和钛酸纳米管之间的输运方式，计算光生电子的输运概率。研究结果表明：钛酸纳米管被RGO改性之后，无论在紫外光还是可见光照射下的光催化性能都得到提高，尤其在可见光照射下复合光催化剂对苯酚的降解速率达到6.8010-3min-1。根据扫描隧穿显微镜和电子顺磁共振谱的测试结果，证明复合光催化剂的可见光活性来源于石墨烯的敏化作用。RGO与钛酸纳米管之间存在化学键，此化学键是复合光催化剂具有可见光活性的前提条件。在可见光照射下，量子隧穿是光生电子从RGO注入钛酸纳米管的具体途径，每个电子的隧穿概率约为5.2110-7。