sp2杂化的石墨烯基碳材料因具有独特的光学、电学和热学等性质引起了研究人员的极大关注。科学家们对它们的研究达到前所未有的热度。通常情况下，石墨烯基碳材料可根据维度分为零维富勒烯，一维碳纳米管以及二维的石墨烯。零维富勒烯在医学方面具有独特的功效;一维管腔结构的碳纳米管是微电子中理想的纳米导电材料;二维石墨烯则被誉为改变二十一世纪发展的“材料之王”。近十年来，具有高比表面积、大孔体积以及优良导电性能的石墨烯基碳材料在电化学能源转换和储存器件（如燃料电池和金属空气电池）中展现了广阔的应用前景。然而，在实际获得的石墨烯基碳材料中，材料本身易堆积、缺陷多，合成方法不易控制。这些缺点严重制约着它们的大规模生产及应用。　　针对当前石墨烯基碳材料本征结构及在能源转换应用中面临的基本问题，本论文从能带调控和结构组装出发，通过选择性气相刻蚀法获取单一导电性的单壁碳纳米管;利用碳材料间的共轭作用和模板组装法等对石墨烯基碳材料进行改性，并在此研究基础上探索掺杂型石墨烯基碳材料在电化学能量转换中的应用。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:　　1、单壁碳纳米管的能带调控　　(1)单一导电性单壁碳纳米管(SWCNTs)的分离　　在低温条件下采用二氧化氮(NO2)气体选择性刻蚀半导体性SWCNTs。刻蚀反应的最终产物中，金属性SWCNTs纯度高达90％。刻蚀后富集的金属性SWCNTs结构完整，且管壁没有引入任何杂质。这是迄今为止的文献报道中，能够获取宏观量级的金属性SWCNTs，且含量最高的反应。　　(2)单壁碳纳米管与钴掺类石墨相-氮化碳的共轭效应　　通过简单的高温裂解法合成钴掺类石墨相-氮化碳与单壁碳纳米管复合材料(Co-g-C3N4/SWCNTs)。首先，在SWCNTs管壁上原位裂解三聚氰胺，使裂解产物石墨相-氮化碳与碳纳米管发生耦合，从而改变SWCNTs的能带结构。在裂解的同时引入钴离子使类石墨氮化碳不易团聚，以增强碳纳米管与类石墨氮化碳之间的共轭作用。该Co-g-C3N4/SWCNTs复合材料作为燃料电池阴极催化剂，在碱性条件下表现出优异的催化活性及良好的稳定性。　　2、石墨烯空心球自组装　　(1)钴氮掺杂多孔石墨烯空心球　　利用自组装法合成具有完整形态结构的多孔石墨烯空心球。首先，将氧化石墨烯包覆在表面修饰的硅球上;然后通过高温碳化，去模板获得石墨烯空心球;进而与维生素B12混合均匀后通过高温裂解制备出钴氮掺多孔石墨烯空心球催化剂(Co-N/HGS)。该催化剂表现出的较大孔体积，极利于氧还原反应中质子的传输。电化学测试结果表明，Co-N/HGS催化剂在碱性和酸性介质中表现出的催化活性均与商业铂碳相当。　　(2)氮掺石墨烯空心球原位生长二氧化锰纳米薄膜　　在以上自组装的策略上，发展了一种金属氧化物协同氮掺杂石墨烯空心球(MnO2/N-HGS)氧还原催化剂的制备方法。通过温和的氧化反应，在氮掺杂石墨烯空心球上原位沉积二氧化锰纳米薄膜。扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)形貌表征结果均证明，氧化过程中并没有严重破坏石墨烯空心球的原始结构。电化学测试结果表明，MnO2/N-HGS复合材料在碱性介质中表现出优越的氧还原催化活性以及突出的抗甲醇毒化能力。将MnO2/N-HGS应用于锌空电池空气电极中，该电池表现出高的比容量以及优异的倍率性能。　　3、多孔鸟巢状单壁碳纳米管空心球自组装　　通过模板法制备具有高比表面积和特殊孔道的多孔鸟巢状单壁碳纳米管空心球。首先在酸性条件下利用高锰酸钾的氧化，得到富含表面官能团的氧化单壁碳纳米管溶液。在库伦作用力下，氧化的单壁碳纳米管自组装在表面修饰的二氧化硅球模板上;然后通过高温碳化及二氧化硅模板的腐蚀，获得多孔鸟巢状单壁碳纳米管空心球(SWCNTN)。SWCNTN与维生素B12混合均匀后，在氨气氛围中高温裂解制备出钴氮共掺杂的多孔鸟巢状单壁碳纳米管空心球催化剂(Co-N-SWCNTN)。电化学测试结果表明，Co-N-SWCNTN催化剂在碱性介质中表现出优越的氧还原催化性能及良好的稳定性。该催化剂组装的锌空电池展现出超高的功率密度(248mW cm-2)，且在大电流放电条件下其稳定性依然良好。