在严峻的资源压力以及日益突出的环境污染大背景下,寻找化石资源的替代资源格外重要。基于生物质炼制概念将生物质资源定向转化为能源、材料以及化学品,以替代不可再生的化石资源来进行持续性的生产,已经成为世界重大热门的研究课题。碳材料因其比表面积高、孔容大、导电性好、生物相容性好、化学惰性等特点,在化学化工、环境保护、生物医疗等领域发挥着重要的作用。因此,设计开发具有特定形貌和结构的新型功能碳材料成为了当前国际科研领域的重要研究方向之一。本论文以可再生木质纤维素生物质资源为碳源制备功能碳材料。利用自然界中存量丰富的生物质多糖纤维素大分子的交联组装和自组装行为,以及水热碳化下结合软模板法生物质单糖自组装转化为水热碳的路径,成功制备了一系列形貌和功能特殊的碳材料,且围绕着其组装行为机理及性能开展了详细深入的研究,这将有助于指导合成特殊的碳材料。另一方面,利用具有成本效益的可再生生物质资源作为碳源,使其得到高值化利用,非常符合可持续发展和绿色化学的概念。利用可再生的生物质纤维素经过化学交联作为核心,采用控制性水解和超声化学法制备了一种纤维素基无机/有机核壳结构Cd S/Ti O2/碳微球光催化剂。其中交联微晶纤维素为成核载体,钛酸四丁酯为钛源,Cd S为光敏剂。通过罗丹明B溶液的光降解效率评价了纤维素基Cd S/Ti O2/碳微球的光催化活性。在可见光照射下,其光降解效率可达到95.24%。表明纤维素基Cd S/Ti O2/碳微球具有优良的光催化性能,在环境治理方面具有广阔的应用前景。利用二氯乙酰氯对溶解在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体中的纤维素进行改性,制备水溶性醋酸纤维素。利用定向冷冻导向纤维素大分子自组装制备层状纤维素材料。再经过简单的碳化处理制备类石墨碳纳米片,其孔隙丰富,比表面积高达1144.96 m~2/g。将其作为超级电容器中的电极,在10 A/g的电流密度下比电容可以达到327.6 F/g。能量密度为11.38 Wh/kg,功率密度为2646.5 W/kg。倍率性能优异,至少可循环使用10000次。这表明纤维素基类石墨烯碳纳米片在超级电容器方面有巨大的应用前景。以葡萄糖为碳前驱体,双非离子表面活性剂PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物P123和月桂酸甘油酯作为软模板,成功在水热体系中协同导向生成形貌可控的碗装空心碳球。其尺寸分布均匀,结构规整,机械强度和热稳定性均较好,具有芳香化碳骨架,表面富含O-H、C=O和C-O等含氧官能团,细胞毒性较低。碳化石墨化程度增强,比表面积明显增大。作为超级电容器电极材料,在电流密度0.0125 A/g的时候比电容可以达到65 F/g,能量密度为2.25 Wh/kg,功率密度为3.125 W/kg,循环稳定性较好。以木糖为碳前驱体,创新性的引入木质素磺酸盐和P123作为软模板,在水热碳化条件下合成了具有独特蛋黄-蛋壳结构的碳微球并提出其形成机理。木质素磺酸盐与P123的缔合导致了混合胶束的形成。线性结构P123位于胶束内侧,木质素磺酸盐由于其高度支化的结构和空间位阻效应组装在胶束外侧。软模板的界面为碳颗粒提供合适的成核和生长位置同时影响其形成过程。碳微球具有荧光特性,细胞毒性较低。碳化后作为超级电容器电极材料,在电流密度为0.15 A/g时,比电容为200 F/g,能量密度为6.93 Wh/kg,功率密度为37.59 W/kg。其在生物化学和超级电容器领域有潜在的应用价值。以葡萄糖为碳前驱体,双表面活性剂P123和油酸钠为软模板,通过调节反应条件,研究了软模板法与水热碳化体系耦合制备空心碳球的工艺。在合成过程中,双表面活性剂相互作用形成软模板,胶束模板不断发生核内的溶胀和聚合。碳成核沿界面逐渐向外扩展,使碳壳层加宽加厚,通过控制反应时间形成不同形貌碳颗粒:空心碳碗、空心碳胶囊和空心碳球。水热碳颗粒的细胞相容性良好。碳化后的空心碳球作为超级电容器的电极材料在电流密度为0.1 A/g时比电容为116 F/g,能量密度为4.03Wh/kg,功率密度为25.1 W/kg,表现出了良好的电化学性能。