酚醛树脂是酚类与醛类通过缩聚反应得到的产物的统称,其发展历史已有近百年,是世界上最早实现工业化的合成树脂。在现代社会,随着纳米技术的发展,有越来越多的科研工作者致力于制备纳米尺寸的酚醛树脂及其复合结构。高分子纳米材料指的是至少有一维尺度达到纳米级尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。因为纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域,因而拥有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,因此高分子纳米材料应用前景广阔。另外,酚醛树脂具有高残炭率、组分单一、廉价易得、易于活化、孔道丰富、炭化活化后所得到的活性炭微球具有较高的导电性等优势,因此它也多用作制备一系列纳米多孔碳材料的前驱体。近几年来,将杂原子掺杂进高聚物及其碳材料的骨架中不仅可以引入新的官能团,而且能够增加材料的活性位点,提高反应活性。成为催化领域、能量储存与转化、生物应用等领域的研究热点。在各种杂原子中,应用最广泛的是氮原子。为此,本论文旨在设计、制备微/纳米结构的N掺杂聚合物及其相关碳材料,实现碳材料的功能化、催化和电化学应用,增大其应用范围。所取得的主要研究工作如下:(1)单分散金纳米粒子-掺杂高分子微球的绿色合成、高效催化及计算模拟研究。首先利用一步法合成了氮掺杂高分子微球-三聚氰胺酚醛树脂微球(RMF NSs)。由于微球表面含有大量的氨基,因此可以采用原位生长法将金纳米粒子(Au NPs)(3-5 nm)生长在RMF NSs的表面,结果表明Au@RMF NSs复合材料催化性能优异,在催化对硝基苯酚转化为对氨基苯酚的反应中,反应平衡常数为33×10-3 s-1,性能优于目前报道的大部分基于金纳米粒子的催化剂。因此,我们利用密度泛函理论(DFT)进行模拟计算,研究其催化机制。结果表明基底中含有的含氮官能团能够优先吸附对硝基苯酚离子,增加催化剂周围的对硝基苯酚离子的浓度,进而提高催化性能。这项工作为新型催化剂的开发提供了理论依据。(2)N掺杂3D多孔-纳米层网络结构(HPSCSs)及超级电容器应用。首先,我们利用KOH活化RMF NSs的方法制备了该复合材料。在HPSCSs中,同时存在纳米片层、多级孔结构。多孔结构可以提供丰富的孔道,提高电解质离子传输速率,纳米片层可以提高导电性,氮原子掺杂可以改善材料润湿性,降低电解液离子在孔隙中的扩散阻力,因此该复合结构能有效提高超级电容器的性能。结果表明,在扫描速率为1 m V s-1时,HPSCSs的比电容量为407.9 F g-1,分别是多孔碳球(PCSs)和没有活化的碳球(CSs)的比电容量的1.2和4.0倍。同时,该电极材料的大电流性能优异,例如,当扫描速率为100 m V s-1时,和1 m V s-1时的相比,比电容量能够保持在71.1%。同时,该材料的循环性能也很优异,在电流密度为10A g-1时,循环6000圈之后,电容量能够保持在99.0%。这项工作为开发新型电极材料提供了新的思路。(3)我们利用(2)中制备的氮掺杂材料作为CO2吸附剂。因为其小的孔尺寸和适量的氮元素掺杂,该材料可以应用在CO2的吸附上,吸附量高达5.8 mmol g-1。另外该材料在生物传感应用展现了优异的性能。在检测同时含有抗坏血酸、尿酸、多巴胺的模拟生物体环境中,利用示差脉冲伏安法(DPV)同时检测三种底物时,我们可以观察到三个分开的峰,对应的峰间距为297 m V(AA-DA),147 m V(DA-UA)和444 m V(AA-UA)。当S/N=3时,AA,DA和UA的检测限分别为7.1475μM,0.166535μM和0.031729μM,性能优于目前已报道的大部分碳材料。这项工作为开发新型生物传感器材料提供了方向。