碳纳米材料,例如石墨烯、碳纳米管和膨胀石墨,具有不同的形态和表面官能团,因此预计它们具有不同的性质和应用。在此,本论文致力于不同碳材料（石墨烯纳米片（GNP）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、氧化石墨烯（GO）、氨基石墨烯（NH2-G）、膨胀石墨（EG）以及基于膨胀石墨的复合碳材料）的结构差异、电化学性质差异和电化学应用研究,细致的比较了这些碳材料作为电极材料的电化学传感特性及超电容性能,具体研究结果如下:（1）以Fe（CN）₆^3-/4-为探针分子,研究了不同碳材料（MWCNTs、GO、GNPs、NH₂-G、EG、EG/NH₂-G、EG/MWCNTs、EG/GO、EG/GNPs）在0.1 mol/L KCl+5 mmol/L Fe（CN）₆^3-/4-中的循环伏安行为;比较了这些修饰电极对带正电、带负电的无机离子((Pb²⁺、NO₂-⁾以及中性的有机染料（日落黄、柠檬黄）的传感性能。结果发现,带正电的Pb²⁺在EG修饰玻碳电极上的溶出峰电流最大,带负电的NO₂^-在EG/MWCNTs修饰玻碳电极上的氧化峰电流最高,EG/GNPs修饰玻碳电极对中性色素分子（日落黄、柠檬黄）的电催化作用最佳。此外,借助扫描电镜、拉曼光谱以及傅立叶红外光谱等方法深入探讨了目标检测物与不同纳米碳材料之间可能存在的相互作用力,结果表明:EG片层间存在大量的离域电子利于Pb²⁺离子的富集,EG和MWCNTs的协同作用提高了电极对NO₂^–离子的电催化氧化性能,EG、GNPs的全碳共轭结构利于EG/GNPs复合材料对色素的吸附。因此,基于EG的增敏效应,在EG及EG复合材料上实现了对不同带电物质的敏感检测。（2）以0.5 mol/L Na₂SO₄为电解液,通过循环伏安法和恒电流充放电方法研究了不同电极材料的超电容性能差异。结果发现,通过与EG复合,能提高GO、GNPs、NH₂-G的倍率性能;具有3D多孔结构及高比表面积的MWCNTs、含N杂原子氨基石墨烯比电容较高,电容稳定性好,循环500次后,MWCNTs、NH₂-G比电容保留率均能保持在80%以上,表明这两种材料电容性能优异,适合应用于超级电容器电极材料。