石墨烯作为一种二维层状纳米材料,以其新颖的结构和杰出的性能在太阳能光伏器件、电化学能源存储与转换等领域均具备重要的研究与应用价值,被认为是后摩尔时代关键材料之一。石墨烯的发现也激发了广大研究者对其他类石墨烯二维层状纳米材料（如六方氮化硼和二硫化钼等）的广泛研究兴趣。过去几年中,由不同二维层状纳米材料堆叠而成的范德瓦尔斯异质结构在材料设计与应用方向又展现出巨大的潜力。因此,实现调控类石墨烯二维层状纳米材料与石墨烯形成范德瓦尔斯异质结构将具有重要的理论意义和应用价值。本论文以经典的石墨烯和类石墨烯材料六方氮化硼、二硫化钼作为研究对象,通过简单的溶液法,设计将类石墨烯纳米片层与其他材料进行复合成为新型的类石墨烯异质结材料,重点探讨类石墨烯异质结材料的结构-性能关系,提高类石墨烯异质结材料的电化学储能、光电性能和拓展相应柔性器件应用开展研究。主要研究内容和结果如下:1、预先采用尿素/甘油按照摩尔比1:2快速液相剥离六方氮化硼（h-BN）、石墨烯（Graphene）后,再利用范德华力层层自组装制备六方氮化硼-石墨烯（BN/G）类石墨烯异质结构材料。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）以及原子力显微镜（AFM）的微观形貌分析,可以发现1微米左右大小的六方氮化硼纳米片均匀散布在尺寸更大的石墨烯表面形成垂直异质结构的形貌特征;通过拉曼光谱（Raman）与X射线衍射（XRD）的物相结构分析,进一步表明所得到的六方氮化硼、石墨烯纳米片层完整、形貌可控,说明其具有简单可行、易操作、低能耗、低成本等特点。将所制备的BN/G与聚偏氟乙烯按照9:1的质量比均匀混合,用于超级电容器的电极,并采用三电极法研究了BN/G的储能特性。结果显示,在0.5 A/g的电流密度下,最佳比电容可达到134 F/g,当电流密度提升至10 A/g时,进行一万次充放电循环,其比电容保持率仍高达96%,满足电化学储能装置的快充慢放特点,为提高超级电容器的性能提供了一种潜在的途径。2、研究了金属相二硫化钼（1T-MoS2）/石墨烯异质结构的制备问题,以三聚氰胺辅助液相剥离的石墨烯为基础,在其表面通过简单的一步水热反应合成1T-MoS2。所制备的类石墨烯异质结构材料中1T-MoS2片层均一,缺陷少。整体类石墨烯异质结的导电性良好,这种1T-MoS2/graphene异质结构可以为锂离子电池性能的增强提供极大便利。首先,与传统的基于MoS2的纳米复合材料非常有限的界面接触相比,这种结构可以为锂离子电池提供金属相MoS2与石墨烯之间更大的原子界面接触/相互作用。其次,1T-MoS2与石墨烯之间紧密连续的导电通道有助于有效抑制MoS2纳米片的聚集和再堆积,并在电池的锂化/脱锂行径中适应体积膨胀,减少多硫化物的穿梭。最后,由于三聚氰胺辅助液剥离的高品质石墨烯具有良好的导电性和较低的基底面缺陷和氧化,1T-MoS2纳米片对石墨烯的良好附着力使得MoS2与石墨烯之间的高效电子/离子运输途径得以实现,有利于促进长期循环和倍率性能。当该电极材料作为传统锂离子电池负极时在2000 mA/g电流密度下充放500次后仍有667 mAh/g的放电容量。3、本论文继续研究采用硫脲辅助液相剥离的石墨烯分散液与前驱体（磷钼酸）直接水热反应制备得到氧原子插层二硫化钼—石墨烯异质结构（GMo）,研究发现含有O插层MoS2的GMo膜中出现9.6?的增大层间距与氧原子的插入有很大关联,特别是S-O键键长正好与增大的层间距相接近。此外,S原子上的氧悬空键（S-O）在GMo中积累p型掺杂效应,为GMo异质结构提供高的p型垂直导电性。同时在混合2H/1T相MoS2的基础上获得了可调谐的功函数特性,可显著改善光活性层的空穴提取。重要的是,此异质结构作为空穴抽提层可在传统的正置PCDTBT:PC71BM有机太阳能电池中取得最高4.5%的光电转换效率,并在历经1000小时后,保持约80%的初始性能。与此同时,在PTB7-Th:PC71BM倒置器件中可实现最高9.5%的光电转换效率,以及提供长久的稳定性能:室温下放置1000小时后仍保持93%以上的初始性能。该体系对其他二维纳米材料的光电器件应用也具有普适性。4、本论文进一步拓展了类石墨烯材料的柔性器件应用:通过简单的一步水热法将类石墨烯材料—二硫化钼负载于聚偏氟乙烯静电纺丝膜上形成无机-有机异质材料用作自支撑柔性电极。并证实这种异质材料具有良好的综合性能。本文一方面展示了这种三维互连的二硫化钼基柔性膜电极结构,该结构具有优越的机械强度和导电、导热性能,可用于性能卓越的锂离子电池和析氢催化剂。另一方面,当使用此无机-有机异质材料作为负极来装配锂离子电池时,该材料不但集高能量和功率密度于一体,而且具有优异的长循环稳定性。另外,将所制备的无机-有机异质材料与LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2（NCM）三元正极材料组成全电池时,基于上述负极的柔性全电池贡献出较高的容量（258 mAh/g）和良好的抗机械变形能力。此外,本文所制备的无机-有机异质材料在电催化活性方面也得到了明显的增强,其中,具体表现为当电流密度为10 mA/cm~2时,具有稳定的析氢过电位（119 mV）和较低的塔菲尔斜率（101 mV/dec）,以及优异的电催化稳定性。因而为未来柔性可穿戴器件的设计和制造提供了研究基础。

随着石油等不可再生能源资源的枯竭,新型可再生、可生物降解、环境友好的天然高分子生物质材料受到极大关注,特别是在能源材料领域具有很大的应用前景。相比在制备过程产生污染和难降解的石油基聚合物,纤维素作为天然高分子,具有含量巨大,绿色环保等优点。因此纤维素的加工和纤维素基材料受到了国内外学者的极大关注。纤维素因为含有较多羟基存在高介电常数的可能,可以利用这一特点应用于介电领域。本文主要以再生纤维素为基体,应用于介电材料领域,探索再生纤维素以及其复合材料的介电性能,通过与高介电常数的钛酸钡陶瓷进行复合,提高复合膜的介电常数与击穿强度来提高再生纤维素基介电材料的储能密度。主要研究内容包括以下三部分:（1）NaOH/尿素水溶液体系溶解纤维素,分别以不同分子量的纤维素（DP610,DP700和DP500）作为原料,以不同纤维素浓度进行溶解,以5%硫酸水溶液或丙酮作为再生浴,制备不同结构的纯再生纤维素膜。在不同干燥环境（60真空干燥或90真空干燥）制备不同的样品,对其进行介电性能测试。实验结果发现纤维素膜相比其他聚合物具有较高的介电常数,且根据制备条件的改变介电性能会发生变化,以3.5 wt%纤维素浓度溶解制备的纤维素膜在经过90干燥后具有高的击穿强度（500 MV/m以上）,特别是以5%硫酸再生的纤维素膜在500 MV/m的电场强度下具有16.78 J/cm~3的储能密度和84.8%的充放电效率。（2）钛酸钡纳米颗粒与钛酸钡纳米纤维作为填料与再生纤维素进行复合,探索填料形貌和含量与复合材料的介电性能之间的关系。实验结果表明钛酸钡填料可以提高纤维素膜的介电常数与击穿强度,但在含量过多时,会团聚破坏复合膜结构。在2 vol%钛酸钡含量时,复合膜介电性能达到最好,而且钛酸钡纳米纤维增强效果好于钛酸钡纳米颗粒。在钛酸钡纳米纤维含量为2 vol%时,复合膜在300 MV/m电场强度下储能密度达到9.45 J/cm~3,在370 MV/m下储能密度为13.14 J/cm~3,是BOPP的11倍。（3）利用多巴胺改性钛酸钡纳米纤维,再与纤维素进行复合,制备再生纤维素/改性钛酸钡复合材料（RC-PDA@BTNF）。实验结果表明,多巴胺包覆改性后的钛酸钡纳米纤维（PDA@BTNF）在NaOH/尿素水溶液体系分散的更均匀,制备的复合材料具有更高的介电常数。在PDA@BTNF含量为2 vol%时复合膜击穿强度可以达到520 MV/m,放电能量密度达到17.11 J/cm~3,而且在200MV/m和300 MV/m工作电场下可以循环工作10000次以上。