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火焰合成技术是一种步骤简单,生产时间短,易于工业化的纳米材料制备方法,当前已经被广泛用于TiO2等简单氧化物的工业合成之中。然而,对于更复杂的新型纳米材料,或者在晶型和几何结构上有特殊要求的功能材料而言,使用火焰合成技术来制备仍颇具挑战性。在此,本论文发展了一种多元纳米功能材料的高温气相合成方法,并通过特征时间尺度分析与群平衡建模,结合在线激光诊断,研究了火焰场中从前驱物到纳米颗粒材料的多尺度演化过程。在此基础上,本论文成功合成了三种具有典型性的钛基纳米功能材料,即掺杂型纳米光学材料,负载型纳米催化剂和纯金属纳米推进剂,并对这些材料在能量转换中的反应特性进行了探索。本论文首先对多元纳米颗粒合成过程的反应机理与动力学过程进行了研究,在特征时间尺度分析的基础上,本论文对火焰合成的多尺度过程进行了解耦,并建立了描述火焰合成中颗粒生长过程的多分布群平衡模型。本论文还创新性的将相选择性击穿光谱技术（PS-LIBS）运用到了火焰喷雾合成中,探索了火焰合成中最为复杂的“液滴-颗粒”转换过程。基于以上理论研究,本论文提出了晶面内掺杂（doping）与颗粒间掺混（mixing）这两种火焰合成的基本形式,并建立了多元纳米材料的高温气相合成相图,为不同结构的纳米功能材料的制备提供了可行的合成路径。以掺杂型纳米光学材料为例,本论文发展了晶面内掺杂材料的火焰合成基本方法,并实现了对禁带宽度的调控与在线表征。研究表明,V,Fe,Zr等元素可以通过火焰的合成方法进入到TiO2晶格之中,并同步改变纳米颗粒材料的光学性质。对于颗粒间掺混材料的合成,本论文基于滞止旋流火焰,开发了粒径小于10nm的负载型纳米催化剂制备方法。该催化剂在甲烷催化燃烧中展现出了极高的反应活性,甲烷的表观点火温度可以进一步降低到293°C,低于文献中的已有报道。进一步的,所合成的Ti/Ce双载体可以同时改善催化剂的稳定性。这些特性都源于火焰合成过程中的金属-载体间形成的强相互作用。最后,本论文将火焰合成拓展到了激光诱导等离子环境中,合成了纯金属纳米推进剂颗粒,并对其燃烧特性进行了原位（insitu）测量。结果表明单质纯金属纳米颗粒的燃烧时间与其粒径呈现出了近似的d1指数关系,纳米纯金属的燃烧是受表面动力学所控制的。