碳量子点是一种新兴的纳米荧光物质,其常见的制备方法为氧化法,因此研究氧原子与碳量子点之间的相互作用关系对于碳量子性质的研究具有重要的意义。目前,化学氧化法是最常用的一种碳量子点的制备方法,利用该方法合成碳量子点时,会用到强酸性物质,危害环境,不易于规模化生产。因此,探索一种低成本、环境友好的绿色方法制备出性能优良的碳量子点,对于碳量子点的工业化应用具有十分重要的意义。首先,本论文在密度泛函理论的基础上,研究了氧原子与碳量子点之间的相互作用关系。以大片的石墨烯片(C54H18, D6h)作为计算的原始构型,依据该构型的对称性,选择代表区域进行单点能的计算。通过对该代表区域上单点能量的计算,获得垂直于石墨烯片方向上氧原子的稳定化学吸附位,据此计算势能面。基于势能面,从热力学、动力学以及化学稳定性三个方面对四种可能的自由异构体进行优化和稳定性分析,给出了氧原子和碳量子点之间可能的反应机理。计算结果表明,在氧原子与碳量子点的相互作用过程中,氧原子最易在键的中心位置上方发生吸附作用,形成环氧键；不易于在环的中间位置的上方发生吸附作用,形成环氧键。其次,本论文采用密度泛函理论,探讨了连接有不同官能团的碳量子点作为质子交换膜燃料电池阳极无金属催化剂催化性能的影响。以大片石墨烯(C54H18)作为基本构型,分别对15种连接有不同官能团的改性石墨烯量子点的电子亲和势及其与氢的结合能进行计算,从而获得改性石墨烯量子点作为质子交换膜燃料电池阳极无金属催化剂的催化火山图。计算结果表明,连接有CHO的石墨烯量子点由于其与氢气的结合能力适中且其具有较高的得电子能力,理论上,将其用于质子交换膜燃料电池的阳极催化剂,具有更佳的催化性能。最后,本论文以价格低廉的磺化煤作为碳源,采用臭氧氧化技术实现了高性能碳量子点绿色制备的目标。通过柱层析进行分离提纯,利用红外、紫外、核磁、质谱以及元素分析等表征手段大致确定了制备的碳量子点的分子结构。透射电子显微镜和激光光散射测试结果表明通过该方法制备的碳量子点形状近似球形、尺寸分布均一,其中约有95%以上的粒径尺度达到5 nm左右。另外,将所制备的碳量子点应用于甲醛水溶液的检测中,其检测下限可达到0.2 ppm。