能源危机和环境污染是全球面临的两个重大问题。光催化是有望利用太阳能来实现分解水制取氢气以及降解污染物的重要技术。高效、低成本且稳定光催化材料的研制是推进该技术发展和应用的关键。包括石墨烯和碳纳米管在内的碳纳米材料具有优异的光电、导电以及吸附等特性,在诸多领域具有重要应用。本论文瞄准碳纳米材料在光催化和荧光检测等领域的应用,致力于研制基于碳纳米材料的高效光催化体系以及探索石墨烯量子点的简便制备技术,取得了如下研究成果。设计并制备了二氧化钛片状纳米颗粒/石墨烯泡沫复合光催化体系,其兼具吸附和光催化降解双重功能。采用氧化石墨烯和钛酸四丁酯为原料,通过简便节能的一步水热法制备了二氧化钛片状纳米颗粒/石墨烯泡沫复合材料。通过扫描电镜、透射电镜等手段研究其形貌,并测试了其对六价铬离子和亚甲基蓝的移除能力。该复合材料含有大量石墨烯,使得该复合材料对污染物有很强的物理吸附作用;石墨烯优异的电子传输能力也极大地提升了复合材料的光催化效率。在光催化降解有机物时二氧化钛片状纳米颗粒与石墨烯泡沫可起到协同作用,从而令光催化效率得到更加明显地提升。该复合材料对六价铬离子和亚甲基蓝都具有良好的移除能力,分别是相同质量二氧化钛片状纳米颗粒移除能力的1.3倍与2.1倍。该复合物催化剂拿取方便且具有很好的循环稳定性,可多次重复利用。该复合材料可同时移除水中的六价铬离子和亚甲基蓝分子,对处理同时含有两者的混合污水有很好的效果。为了提升可见光下的光催化活性,将硫掺杂与石墨烯复合两种手段相结合,研制了硫掺杂二氧化钛片状纳米颗粒/石墨烯复合光催化体系。使用简单的水热法一步制备暴露大量(001)晶面且有硫掺杂的锐钛矿二氧化钛片状纳米颗粒。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、光电子能谱和紫外可见漫反射光谱等手段对其形貌结构进行表征。以亚甲基蓝作为有机污染物的模板探索该可见光催化体系的光催化降解有机污染物的性能。本文以便捷的方法实现了对二氧化钛禁带宽度、载流子复合率、形貌晶面的全方位调控,很大程度上提升其在可见光下的光催化效率。其中(001)晶面具有最高的光催化活性、硫掺杂通过缩小其禁带宽度(由3.3 eV缩小到了 3.0 eV)而将其对光的响应范围从紫外区扩展到可见光区、石墨烯的引入有助于提升载流子分离率,从而多方面提高催化剂的光催化活性。该复合材料在模拟太阳光下降解亚甲基蓝时表现出很高的光催化活性,可在12分钟内将50 mL的10.0 mg/L亚甲基蓝溶液中的亚甲基蓝全部降解。探索出了微波辅助加热一步合成界面接触紧密的石墨相氮化碳/碳纳米管复合光催化体系的简便工艺。运用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等多种测试方法对所得复合光催化体系的形貌结构、光吸收性能和元素组成等进行表征,使用紫外可见漫反射、荧光发射光谱对其光学特性进行了表征,通过测量瞬态光电流和阻抗对其光电化学特性进行了表征。测试了该复合物的光催化产氢速率及循环稳定性。与其他方法相比,该方法所制得的复合光催化剂中石墨相氮化碳和碳纳米管具有更加紧密的接触界面和较高的结晶度。该复合光催化剂可有效地提升光生载流子数量,并增加光电流响应。该复合光催化剂具有良好光催化稳定性和光催化性能,其在可见光下的产氢速率可达45.1 μ mol/h,其光催化活性也高于以前报道的其它制备方法制备的石墨相氮化碳/碳纳米管复合催化剂的光催化活性。尝试采用廉价的稻谷壳为原料一步合成石墨烯量子点。以生物质废料稻谷壳为原料,用一步水热法制备石墨烯量子点,并对其反应条件(温度、时长)进行优化,实现了以绿色简便的方法对生物质废料的再利用。通过扫描电镜、透射电镜等手段研究石墨烯量子点的形貌。通过测量荧光发射与吸收光谱,对石墨烯量子点的发光性能进行研究。测试石墨烯量子点对一系列金属离子的荧光淬灭程度。测量石墨烯量子点分散液与一系列不同浓度的三价铁离子的溶液接触后在紫外光下的荧光光强,研究三价铁离子浓度与石墨烯量子点荧光淬灭程度的关系。所制得的石墨烯量子点粒径分布较窄,拥有3.9 nm的平均粒径,包含2-3层石墨烯,可对三价铁离子产生特定性的荧光淬灭。制备生成的石墨烯量子点可用作检测水体中三价铁离子的荧光传感器。之后对稻谷壳进一步处理制备二氧化硅,实现对稻谷壳中有机和无机成分的综合利用。