研究固体表面和液体内部冰晶的形成与生长对于许多基础设施的运行、低温生物材料保存、开发高效的防覆冰材料等具有重要的理论价值和市场价值。传统的高效防结冰材料主要是天然抗冻蛋白，天然抗冻蛋白的冰结合面具有规则的羟基排布，与Ih型冰上的有序氧原子相互匹配，在冰结合面形成类冰水，从而吸附到冰晶表面，抑制冰晶的生长。然而，天然抗冻蛋白不仅造价高昂、制备过程冗长，而且易失活，使用过程中受到种种条件的限制，亟待寻找一种易得、廉价、高性能的抗冻蛋白替代品。作为一种单原子层厚度的有序二维材料，石墨烯是由sp2杂化的碳原子芳香环通过共价键相互连接的连续六角晶格组成的平面材料，石墨烯及其衍生物自从被报道以来，由于其良好的机械强度、光穿透性、热响应性和较高的电子转移能力等特殊性能，被广泛的应用在电子原件、催化剂、药物负载体、表面超亲/疏水材料、水性直写墨水和可穿戴设备等等的研制上。氧化石墨烯具有排列规则的碳骨架结构，sp2杂化的碳原子与邻近碳原子的碳碳双键键长为1.42(A)，因此，三个骨架六元环的距离正好是7.35(A)×4.26(A)，这使得氧化石墨烯基面上的羟基位置能够与六角形的冰晶上的氧原子的位置(7.35(A)×4.52(A))相匹配。基于这一现实背景，我们利用石墨烯的二维结构能够与冰晶匹配的特点，以石墨烯及其衍生物等廉价易得的二维材料为切入点，研究其对冰晶的形成和生长的影响，旨在开发出一种高效、低廉、易得的防冰、控冰材料，该论文从氧化石墨烯的制备，表面等离子氧化和自下而上法制备杂原子掺杂石墨烯量子点等角度开展了以下四部分工作:　　1.利用Hummer法，通过控制反应前驱体中石墨的尺寸，制备出不同尺寸的氧化石墨烯，对合成产物做进一步的化学还原以得到不同C/O的氧化石墨烯，并通过自下而上的方法制备出含有不同官能团的石墨烯衍生物，利用纳升渗透压仪研究单晶冰在这些石墨烯衍生物分散液中的生长情况，通过对体系温度的精确调控，并利用高速摄像机计算不同过冷度下以及不同氧化石墨烯分散液中冰晶的生长速度，观察冰晶的形貌，研究氧化石墨烯的尺寸、含氧量和官能团种类等对冰生长控制的作用。在吸附实验验证和分子动力学模拟的基础上，本文提出氧化石墨烯抑制冰晶生长的机理，既有序的石墨烯表面的环氧和羟基能够与冰晶表面的氧形成氢键，从而在氧化石墨烯表面形成类冰的水合层，使得氧化石墨烯吸附到冰晶的表面，形成曲面，由于kelvin效应，冰晶的生长受到极大的抑制，并且氧化石墨烯具有很强的冰晶重结晶抑制活性。基于此，我们测试了其作为马精子低温保存剂的效果，这为设计和制备生物材料低温冷冻保存剂提供了理论和实验依据。　　2.受到不同尺寸和氧化石墨烯与冰晶相互作用力不同的启发，我们开发出了通过控制氧化石墨烯结冰固化速度实现氧化石墨烯尺寸分离的方法。利用液氮作为冷源，通过调控氧化石墨烯水分散液液面距离冷源的距离可以控制结冰固化所需要的时间，较大的氧化石墨烯由于片层尺寸大扩散慢，边缘面积小含氧官能团少，与冰的相互作用慢，且结合力小。而较小的氧化石墨烯片层扩散快，边缘面积大含氧官能团多，能够快速扩散到冰晶的表面，并且与冰晶形成较多的氢键。因此，通过控制结冰速度的方法可以实现氧化石墨烯的尺寸分离。论文进一步利用一系列的表征手段证明了分离方法的可靠性，并通过尺寸分离提高了还原氧化石墨烯打印线的导电性。　　3.基于前两章的研究，我们将CVD法制备的铜基底单层石墨烯，通过悬浮捞取的方法转移至SiO2/Si基底上，利用O2等离子体，通过调节等离子体处理功率和处理时间，实现了对单层石墨烯的可控氧化。在密闭的空间中，采用程序控温的方法，研究了不同氧化程度的单层石墨烯上微米水滴的成核结冰行为。结果表明，随着石墨烯氧化程度的提高，水滴的结冰由体相结冰逐渐变为在固液界面上结冰，且成核位点的数目逐渐增加，结冰温度也逐渐提高。　　4.在考察了二维氧化石墨烯表面官能团、尺寸等对冰晶形貌的修饰作用，对单晶冰生长的抑制作用以及对冰晶重结晶抑制作用后，我们选择合适的碳源，利用自下而上合成法，通过热聚合的方式制备出不同氮掺杂量的石墨烯量子点。通过纳升渗透压仪等对量子点影响冰晶的生长、修饰冰晶形貌和抑制冰晶重结晶的效果进行了系统的研究。结果表明，以柠檬酸为碳源，以乙二胺为氮源制备出的氮掺杂氧化石墨烯量子点不仅具有较强的荧光，而且能够有效地抑制单晶冰的生长、抑制冰晶的重结晶，还能够修饰冰晶的形貌。