新型碳纳米材料在催化、能源应用等领域受到了广泛的关注。其中，石墨烯与碳纳米管因其优异的性能，被看作是负载金属/金属氧化物纳米颗粒的理想载体。一方面，石墨烯的高比表面积有利于提高所负载纳米颗粒的分散度与稳定性，石墨烯-纳米颗粒之间的协同作用提供了复合材料的良好性能，石墨烯优良的导电性有利于材料电子传输的应用，如电化学储能等。另一方面，纳米颗粒的负载也降低了石墨层重新团聚的可能，使材料稳定性提高。本文以石墨烯和碳纳米管为载体，合成了碳氮化钴、铁系氧化物和双金属氧化物等纳米复合材料，研究了材料的电化学催化、多相催化氧化、锂离子电池负极等方面的性能。主要研究内容如下：1.掺氮石墨烯-碳氮化钴催化剂的设计与阴极氧还原反应（ORR）性能研究。目前Pt催化剂被认为是最有效的ORR催化剂，然而其高价、低储量与不稳定的活性制约了其实际应用。过渡金属氮化物具有与Pt类似的电子特性，其高催化活性与低成本使其可成为优异的替代Pt的催化剂。本文利用高温氨气氮化法，设计制备了一种新型的掺氮石墨烯（NG）负载碳氮化钴（CoCN）纳米颗粒催化剂。催化剂颗粒呈核壳结构，由具有高活性的CoCN内核与具有保护作用的氧化钴外壳组成。由氧还原测试结果可知，CoCN@CoOx/NG的电流密度（在-0.5V下为5.62mA cm-2）高于商业Pt/C催化剂，半波电位（-0.16V）仅略低于Pt/C催化剂。反应电子转移数为3.74，表明该催化剂以较高效的四电子过程发生氧还原反应。同时CoCN@CoOx/NG具有良好的耐甲醇性能和电化学稳定性。电化学性能和DFT计算结果显示，CoCN与NG的强协同作用，以及CoCN对外层氧化钴的电子修饰作用，提供了该催化剂在碱性条件下与Pt/C催化剂相当的ORR性能。2.本文采用一种简便的方法制备了碳纳米管（CNTs）负载的多孔空心氧化铁纳米颗粒（PHNPs）复合材料。该法通过在常温下使用稀硝酸水溶液对核壳结构的Fe@FexOy/CNT进行腐蚀，不需要加入任何表面活性剂和配合物。制得的空心氧化铁纳米颗粒平均直径约为17nm，壁厚约为4nm。通过TEM、XRD和H2-TPR等表征手段研究了PHNPs的组成以及形成机理。在纳米尺度下的Kirkendall效应和选择性的稀硝酸腐蚀的共同作用下，核-空隙-壳结构的Fe@FexOy转化为空心纳米颗粒，是CNT负载PHNPs复合材料的形成的原因。所制得的FexOy/CNT纳米复合物在磁性、生物医学和催化领域方面均具有应用前景。3.鉴于纳米颗粒的尺寸在催化剂的性能中起很到重要的作用，本文应用了三种方法—即直接浸渍法、双氧水均相氧化沉积（H2O2HOP）法和氨水催化水解法—制备了石墨烯负载的铁、钴、镍金属氧化物纳米颗粒。研究了三种沉积方法对颗粒的尺寸分布的影响；采用TEM、FT-IR、XRD和XPS表征了催化剂的形貌与结构。用H2O2HOP法可制得粒径分布最均匀的纳米颗粒。双氧水的氧化作用可以使石墨烯表面的氧化基团含量最大化，为纳米颗粒提供了足够的吸附与成核点。氨水加速了金属离子的水解与成核，导致了纳米颗粒的粒径增大与不均。用苯甲醇氧化反应作为探针反应考察了催化剂的性能。催化剂的活性按以下顺序逐渐下降：双氧水辅助沉积法>直接浸渍法>氨水催化水解法，与纳米颗粒尺寸增长趋势一致。纳米催化剂颗粒尺寸与其活性的良好关联性显示，发展石墨烯负载尺寸可控的纳米催化剂的方法具有重要意义。4.过渡金属氧化物（TMO）具有较高的理论可逆容量，其储量丰富、价格低廉，是一种具有前景的锂离子电池负极材料。本文设计并合成了双金属复合氧化物，并使氧化物颗粒形成纳米空心结构，与导电性良好的石墨烯复合，获得高性能的锂离子电池负极材料。文中采用三种气氛（NH3、H2、Ar）高温热处理方法，再经过低浓度O2升温氧化步骤，制备了双过渡金属氧化物（MFeO,M=Co,Mn, Zn）与掺氮石墨烯（NG）/石墨烯（G）的复合材料。TEM结果显示NH3、H2处理得到的氧化物为空心结构，Ar得到为实心结构。双金属氧化物的颗粒度与分散性优于氧化铁纳米颗粒，调节M:Fe的比例可进一步优化样品形貌，其中计量比为1:1的样品分散度较好。HRTEM、XRD与XPS等表征显示，NH3法得到的CoFeO(60)/NG-h组成为CoFe2O4与Co3O4，CoFe2O(60)/NG-h中主要为CoFe2O4。采用恒电流充放电和交流阻抗等测试对材料进行性能评价。结果显示，双金属氧化物-石墨烯空心纳米复合物比单金属空心FeO复合材料显示出更好的储锂性能，氧化物中的金属组分对锂离子电池电极性能起到可控的调节作用。