在清洁能源领域,锂离子电池和电催化水分解产氢是两种非常重要电化学能源储存和转化途径。在锂离子电池领域,虽然石墨作为锂离子电池负极材料已经实现商业化,但是它相对较低的理论比容量限制了它的应用,无法满足科技的高速发展。在催化领域,以碳基纳米材料作为催化剂代替或者部分代替金属(尤其是贵金属),为减少能源消耗,缓解能源枯竭问题,实现资源的高效利用提供了有效途径。因此,设计具有高比容量的锂离子电池和优异性能的电催化剂是促进能源储存和转换,满足世界能源需求的关键。本论文在分析碳基纳米材料的锂离子电池性能及电催化性能的影响因素基础上,选择合适的前驱体,通过简易的固固反应法,以及简单的低温化学气相沉积的方法合成了可广泛应用于能源领域的碳基电极。主要研究内容包括以下几个方面:1.以碳化钙和五氯化磷作为前驱体在反应釜中低温固固反应,制备了形貌均一的碳纳米球。电化学测试发现,通过简单方法制备的碳纳米球具有非常优异的锂电性能,在高温碳化处理后性能显著提高近两倍,是非常有前景的碳基锂离子负极材料。经过高温处理的碳纳米球具有极好的倍率性能,即使在1 A/g的电流密度下,循环230圈后放电比容量仍然能保持在550 mAh g-1不衰减,性能明显优于传统石墨材料。2.采用泡沫镍(NF)作为基底,以经济廉价的基本化工原料碳化钙(CaC2)作为前驱体和五氯化磷反应,采用低温化学气相沉积的方法制备了磷掺杂的碳纳米片电极(NF@P-Doped C)。碳纳米片均匀地生长在泡沫镍表面可直接作为电极,克服了粉状催化剂制备电极的缺点,实现了无粘结剂的电极,成功避免了直接涂覆造成的易脱落的问题。另外,磷掺杂使得碳基纳米材料的催化活性位点增多,使得电化学性能得到大大增强。电化学测试表明,NF@P-Doped C比裸泡沫镍的电化学性能增强了三倍以上,相对其它已发表的碳基电催化剂也有明显提高。并且本方法所制备的电催化具有HER和OER双功能的高效电催化作用,克服了碳基电催化剂的单一性能,以及在碱性介质中HER电催化性能差的缺点。在OER催化反应中,在1 M KOH里10 mAcm-2的电流密度下仅需要340 mV的过电势。在HER催化反应中,1 M KO里10 mA cm-2的电流密度下仅需要227 mV的过电势。即使在低浓度0.1 M KOH溶液中也能展现出极好的OER电催化性能,电流密度为10mAcm-2时的过电势是340 mV。3.以碳化钙为前驱体与五氯化磷反应,以石墨烯作为基底,采用低温化学气相沉积的方法在石墨烯表面均匀地长了一层致密的磷掺杂的纳米碳(NF@G@P-Doped C)。所制备的NF@G@P-Doped C电极具有极好的电催化析氧反应性能(OER)。相对于直接在泡沫镍上生长的碳纳米片催化性能更好,持久性也有提高。在OER催化反应中,在1 M KOH里释放30 mA cm-2的电流密度下仅需要330 mV的过电势。即使在低浓度0.1 M KOH溶液中也能展现出极好的电催化性能,电流密度为10 mA cm-2时的过电势是370 mV。