碳材料具有良好的导电导热特性且成本低廉,在微电子器件、储能器件、生物传感器和催化等领域具有广泛的应用。这些应用中,高效电子传输和转移在器件性能中扮演非常关键的角色。多层次多孔三维超结构有互相连通的大孔或介孔、甚至有微孔（<2 nm）构成。这种互相连通的孔结构有利于离子和分子的快速穿插和脱出;较大的比表面积增强了电子转移速率,而三维超结构的碳骨架有利于电子快速传输。模板法常用于合成三维多孔碳材料,因为它提供了一种简单的方式调控孔结构。目前大量工作报道通过渗入杂原子、修饰分子或者其他官能团对碳材料修饰和改性。然而,无论模板法还是修饰方式,都仍然面临高制造成本和复杂工艺带来的巨大挑战。在本论文工作中,通过模板法原位制备多孔碳材料以调控孔结构。选择碱土金属碳酸盐和羧酸盐前驱体和碳材料混合,通过它们物理吸附原位自组装生成模板用于制备碳材料独特的多孔结构。其中,含氧碱土金属盐作为氧化剂能氧化碳,生成气体以便引入不同的孔结构。修饰方法被用来制备和功能化碳材料。模板法制备三维碳结构时,选择某种含有官能团的特殊碳源,用以功能化多孔活性炭。碳材料影响电子转移速率的因素在文中进行了详细探讨。结果表明:制备的独特三维多层次超结构碳材料能在保持碳的良好导电性同时,大大增强离子扩散这样的传质过程。论文工作详述如下:首先用乙醇从阔叶樟新鲜树叶提取生物质为原料,并进一步用CaCO₃纳米颗粒做模板合成纳米多孔超结构碳。这是第一次报道通过一步碳化法制备功能化活性炭的工作,可以容易获得含有大量的直接来自于生物质的-NH3、-NH₂-、-SH等具有生物相容、电化学活性的官能团。所制备的纳米多孔超结构活性炭与从市场上购买的高品质活性炭和以酚醛树脂为原料制备的纳米多孔超结构活性炭进行了化学组成的对比。结果表明:商业活性炭仅被检测到有环硫碳,酚醛树脂为原料的纳米多孔超结构碳不具有源自生物质的碳结构相似的官能团。这三种碳材料进一步被用于制作检测葡萄糖的酶传感器。对比源自酚醛树脂的纳米多孔超结构活性炭和商业活性碳,源自生物质纳米多孔超结构碳表现最高的电化学活性。这个工作提供了一项新策略用于制备功能化的多孔碳和高性能葡萄糖氧化酶生物传感器。实验结果也证明,在传感器中,官能团在增强生物传感性能中起着重要作用。其次,论文还尝试利用原位组装模版法,制备了一种新型三维石墨烯。混合碱土金属碳酸盐或羧酸盐和碳源以原位组装,经退火处理,碱土金属羧酸盐分解出的碱土金属氧化物均匀分散于石墨烯层上,同时又很好的将石墨烯层隔开。文中通过N-₂等温吸脱附曲线,FESEM和TEM测定的形貌,探索了3-D多孔石墨烯的形成机理。结果证明:三维结构是制备过程中由于原位形成的碱土金属氧化物模板和来自碱土金属有机盐分解产生的CO₂和H₂O这样的气体形成的。制备的3-D多孔石墨烯电容高达225 F/g,是论文完成时,相同电解液中,已报道石墨烯电容的最高值,原因在于其上的介孔结构更有利于离子的传输。最后,使用甲酸钙调控三维石墨烯孔结构,再利用其构筑了检测H₂O₂的微电极。从FESEM图和TEM图中可以清晰看出:石墨烯单片层上,能直观看到数十纳米直径的孔。N2等温吸附脱附曲线计算多点BET比表面积最高达到624.31 m2/g,孔直径分布介于0.88⁵0 nm,三维石墨烯修饰微电极并被进一步用于检测H₂O₂。实验结果指明:该微电极对检测H₂O₂具有高的灵敏度和宽广动态检测范围。这可归因于其大的反应面积和电极良好的催化活性。概括来讲,本论文通过原位引入的模板、氧化剂和活化剂以及不同的碳源,成功精准地调控了纳米多孔超结构碳材料的表面官能团和孔结构。优化后,超维纳米多孔碳在保持良好电子输运能力的同时,能通过大尺寸孔极大增加离子扩散速率,并通过大量的微孔增加这些特殊碳材料的比表面积并通过电容和传感应用来评估。结果证明:纳米多孔超结构碳材料拥有高的比电容,匹配特殊目标分子的孔径和功能化,能极大地增强材料的比电容和传感性能。