近年来,随着掺杂技术的兴起,越来越多的高效催化剂以及高性能电极材料的应用成为了可能。通过实现杂原子对纳米碳材料的掺杂,可以有效的调节和改善纳米碳材料的电子结构、化学惰性和孔道分布,同时增强其作为载体时与金属颗粒或金属氧化物颗粒的的相互作用。本论文以设计和制备新型碳氮基纳米材料入手,着重研究碳氮基纳米材料的形成机理,化学特性,和电子结构,通过调变碳氮比例、预处理条件、煅烧温度,得到活性位点多,结构稳定的最优碳氮基纳米载体,最后实现在其表面负载贵金属纳米颗粒或金属氧化物,获得一系列具有独特结构的金属-纳米碳氮复合物,并重点研究了复合材料作为直接液体燃料电池阳极催化剂、锂离子电池负极材料、光电化学电池光阳极材料的相关性能,较为深入的探讨了载体材料与活性组分之间的相互作用,以及微观结构与性能之间的构效关系。具体研究内容如下:1.共价键键合氮化碳/石墨烯负载钯催化剂的控制合成及性能研究。氧化石墨是常用的石墨烯衍生物,表面具有丰富的含氧官能团,如环氧基、羟基和羧基等,利用含氧官能团的高反应活性,与三聚氰胺分子中的氨基发生酰胺化亲核取代反应,得到共价键键合的氧化石墨/三聚氰胺共混物,进而在高温热处理后,氧化石墨自还原、三聚氰胺原位聚合,形成共价键键合的氮化碳(g-C3N4)修饰石墨烯(rGO)复合物,采用了多种表征手段对形成机理进行了探究。由于g-C3N4具有很强的电子亲和力,同时结构中的氨基分子易于和金属离子配位,通过化学还原法,实现金属钯的负载。与其他碳材料做载体制备得到的钯催化剂相比,共价键键合g-C3N4-rGO负载钯催化剂表现出小尺寸、高分散的特点,同时具有优秀的甲醇和甲酸催化氧化活性,如较大的电化学活性比表面积、较高的催化峰值电流强度、稳定的长时间输出电流,优异的抗中毒能力等,推测可能是得益于各组分的特性以及协同作用,密度泛函(DFT)理论计算结果显示钯原子簇与g-C3N4之间存在复杂的“电荷交换机制”,增强了金属钯与载体之间的相互作用,在催化反应过程中能够保证金属钯粒子不发生移动、聚集和溶解现象。2.三维多孔氮化碳/石墨烯负载铂催化剂的微结构控制及性能研究。将共价键键合的g-C3N4-rGO进一步拓展到三维体系,利用氧化石墨的自组装效应,制备了三维多级孔道结构的g-C3N4-rGO复合材料,之后利用硝酸铂的水解特性,实现金属铂的负载。在三维多孔的g-C3N4-rGO表面负载的铂粒子相比于石墨烯水凝胶表面的铂粒子分散性更高。更重要的是,g-C3N4的原位聚合在石墨烯表面引入了许多的皱褶,不仅提供了更大的比表面积,而且由这些皱褶片层构建的三维体系中微孔、介孔、大孔呈现有序规则的排列形式。这种独特的三维多级孔道结构能够有效的促进电解液的快速扩散,反应物的充分转移和产物的迅速释放,表现为较好的电催化活性。此外DFT理论计算结果显示g-C3N4的存在降低了毒性物质一氧化碳在铂催化位点的吸附能力,有利于保持充足的催化反应位,提高了抗中毒能力。3.氮化碳/氮掺杂石墨烯负载钯催化剂的微结构控制及性能研究。氮掺杂被证明是一种调节石墨烯表面碳原子自旋密度和电荷分布的有效手段。我们对共价键键合的g-C3N4-rGO进一步进行高温热解,由于共价键键合效应以及石墨烯层的保护,结构中的g-C3N4会裂解成小尺寸的纳米片层,伴随着更多的C-N共价键生成,增强了与基底的键合作用,同时一些中间含氮小分子转移到石墨烯晶体结构中,最终得到g-C3N4修饰的氮掺杂石墨烯(N-doping graphene)复合材料,我们对其微结构和形成机理进行了重点研究。受益于内在丰富的微孔和介孔、活性氮含量和边缘位点,该复合载体能够稳定小尺寸、高分散的纳米钯粒子,无论是对酸性甲酸氧化还是碱性甲醇氧化反应都表现出十分显著的催化效果。g-C3N4在催化反应过程中起到了助催化剂的作用,加速了电解液中水分子的解离,形成-OH活性氧物种能及时氧化去除中毒物质;N-doping graphene不仅促进了电子的传导,降低了催化反应内阻,还为电解液的扩散提供了丰富的孔道结构;C-N共价键保证了电催化反应过程中结构的完整性及性能的稳定性。4.氮化碳/氮掺杂石墨烯负载四氧化三钴的微结构控制及性能研究。四氧化三钴(Co3O4)是一种高活性的锂离子电池负极材料,但是受限于循环锂化/脱锂过程中剧烈的体积效应,我们通过钴盐水解在g-C3N4/N-doping graphene表面负载了 Co3O4纳米晶。由于复合载体表面独特的π电子分布,生长的Co3O4纳米晶呈现独特的纳米立方块的形貌,具有高分散性和明确的晶体分界线,更重要的是暴露出许多的低指数晶面,这些晶面呈现低表面能,不仅结构稳定,而且可以直接参与锂化/脱锂的电化学反应,同时g-C3N4/N-doping graphene优异的电子/离子导通率、丰富的Li+可及活性位点、强的电子相互作用和结构完整性、以及可容纳体积应变的材料柔韧性,使得三元复合电极材料表现出优异的可逆容量、循环稳定性和倍率性能。5.单原子位镍嵌入氮化碳的控制合成及性能研究。利用超分子作用和配位效应制备出单原子位镍嵌入的g-C3N4薄膜,通过调节镍盐的投料比,可以得到不同价态镍嵌入、不同微结构的三维孔状薄膜。当用作光电化学电池光阳极材料时,3%镍氮化碳薄膜显示出最优的光电催化性能和入射光光电转换效率(IPCE)。我们重点对其结构进行了深入的剖析,结果发现,薄膜从表面到基底的电导情况和能带结构表现出独特的梯形分布,可以有效的引导光生电子流向导电基底,还能提高层间电子-空穴的分离效率,同时单原子镍呈现+3价,不仅促进了半导体/电解液界面上的电荷转移并因此抑制了电子-空穴的复合,而且加速了水氧化反应的进行,为其出色的性能提供了理论基础。