科学技术快速发展,纳米技术有望推动下一次科技革命的诞生。鉴于独特物理与化学性质,二维结构材料仍然是科技前沿热点。蛭石作为天然层状材料,在建筑和农业等领域具有广泛应用。但是蛭石功能单一,一直限制其进一步发展,其真正潜力并没有凸显。目前,材料科学研究重心已经转移到原子、分子以及超分子层次上的纳米科学,对纳米材料结构与功能的精准调控是关键。本论文研究重心放于蛭石结构基本单元蛭石纳米片,构建具有不同功能的宏观组装体,有助于发现新材料;同时,将利用膨胀蛭石层状结构,从微观上构建具有特定尺寸与形貌的微纳结构复合功能材料,并通过杂原子掺杂,实现对材料表面结构调控,实现功能多样化。本论文主要研究内容如下:(1)首先以原矿为原料制备膨胀蛭石。采用离子溶剂剥离法对膨胀蛭石进行剥离,制备多层或少层蛭石纳米片,Zeta电位在-40左右,带负电,其胶体具有良好的稳定性。构建蛭石和水滑石自支撑薄膜,实验结果显示蛭石自支撑薄膜具有良好的微纳结构,但是在溶液中往往被溶胀所破坏。通过热淬火处理,在200℃时可以有效抑制其溶胀效应。同时,制备类水滑石CoAl-LDHs纳米片胶体溶液,采用LBL方法,实现带负电天然蛭石和带正电类水滑石两类粘土的组装。(2)充分利用蛭石层板带负电荷特征,发挥表面平衡离子Mg2+,Al3+,Ni2+和Ti3+的桥梁作用,在蛭石((Si,Al)O4)四面体和水滑石(AlO6)八面体中间通过氧原子链接成键(M1-O-M2 (M1 = Mg, Al, Ni or Ti和M2 = Si orAl)),首次实现阳离子型黏土水滑石在阴离子型黏土蛭石表面原位生长,构建多级结构材料。通过第一性原理对其生长机理进行分析,发现水滑石与蛭石是以晶格匹配方式进行匹配的,且类水滑石将以倾斜方向进行原位生长,这与实验结果相吻合。源于三维多级结构能够显著提高比表面积和传输通道,MgAl-LDHs/蛭石复合材料吸附性能显著提升,与MgAl-LDHs相比,对Cr(Ⅵ)的吸附量提高了 20%; NiTi-LDHs/蛭石复合光催化剂将蛭石强吸附性能和钛的强催化性能相结合,蛭石的硅基半导体上缺陷位抑制光激发电子与空穴复合,提高光电子催化效率,加快光电子转移,降低电子空穴出现几率,提高可见光的光子吸收,其对亚甲基蓝的清除率达到96%,并且它们都具有强的循环再生性能,其再生率超过90%。(3)采用气相CVD法,利用碳源和催化剂共裂解,在层状蛭石层板间原位生长碳纳米管,制备具有三明治结构的蛭石/碳纳米管复合材料。鉴于碳纳米管一般是疏水的,使用前都需要改性,限制了其应用范围。然而,实验首次发现可以在碳纳米管制备时,通过改变杂原子掺杂方式,直接调控碳纳米管表面原子结构,调节其亲疏水性。研究结果表明,使用二甲苯或三甲苯为碳源,可以制备超疏水碳纳米管(CA=158.1),使用吡啶作为碳源,可以制备超亲水碳纳米管(CA=0)。(4)以制备的超亲水性碳纳米管为原料,利用简单的自吸附和冷冻干燥辅助固定方法,在其表面上均匀负载Co3O4纳米颗粒,构建双功能催化剂。杂原子掺杂碳纳米管和均匀分布的氧化钴纳米颗粒赋予所获得的Co3O4/碳纳米管复合材料具有良好的OER和ORR性能。在此基础上,以均匀负载CoFeOx纳米颗粒的碳纳米管为原料,利用上面负载的CoFeOx作为催化剂,采用双氰胺为碳源和氮源,通过固体CVD法在其上生长高氮含量的碳纳米管和石墨烯,制备碳纳米管/石墨烯/过渡金属组成的复合功能材料。关键是在制备过程中过渡金属氧化物纳米颗粒直接转化为金属,并且其均匀地分散在该复合材料中,并被薄碳膜包裹,能提供更多活性位点。碳纳米管/石墨烯/过渡金属组成的复合功能材料的ORR(-3 mA/cm2)和OER (10 mA/cm2)之间的过电压之差为0.845,因此该材料是一种优异的双功能催化剂。(5)实验研究发现掺杂的碳纳米管和石墨烯,其结构和表面会产生很多晶格缺陷,少层碳包裹的金属纳米颗粒,会改变原有sp2杂化碳层的结构,加速电子转移,都会促进形成催化活性位点。本实验结果显示,随着掺氮含量增加,不仅可以用于OER和ORR的电催化性能,其电容性能也在增加。