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采用价廉的离子交换树脂、可再生的具有极性官能基团的农林作物提取物以及农林废弃物作为碳源,储量丰富的Fe、Co、Ni金属盐作为石墨化催化剂和磁性组分的前躯体,通过碳源的极性基团与金属离子的配位作用,成功制备了不同微观结构的石墨化纳米碳材料。此外,基于碳母体极性官能团可与多种金属离子配位的特性,将催化剂离子以及功能性组分的离子前驱体同步引入到合成体系中,实现了石墨化纳米碳基复合体材料的同步合成。结合XRD、TEM、TG、IR等多种表征手段,研究碳母体官能团分解、石墨化以及形貌演变等过程,探讨催化剂与石墨化纳米碳结构形成的内在关系。同时研究了石墨化纳米碳及碳基复合体材料在杀菌、吸附/分离、燃料电池等领域的应用。本论文主要研究内容如下：1、采用不同种类的离子交换树脂作为碳源,利用其可与不同种类铁离子进行配位的性质,制备了不同结构的石墨化纳米碳(GCNs)。由于离子交换树脂骨架结构以及交换能力的差异,可以通过改变碳源的种类,即改变金属粒子与离子交换树脂之间的作用,可控合成不同形貌的石墨化纳米碳,包括二维纳米片层、纳米胶囊、纳米带以及纳米棒等多种形貌。探讨了石墨片层和石墨化碳胶囊形成机理。此外,研究了磁性粒子/纳米碳的复合体对染料罗丹明B的吸附分离特性。2、以丙烯酸系阳离子交换树脂(AC)为碳源,FeCl2作为催化剂,基于AC树脂与Fe2+之间的配位作用以及铁的渗碳作用,发展了可大量制备结晶度较好的单层和几层的石墨烯的“原位自生模板法”。系列实验表明石墨烯形成有两个关键因素：一是在AC树脂骨架中引入足量的Fe2+；二是形成渗碳铁相。基于大量的实验,我们提出了石墨烯的形成机理。此外,还研究了石墨烯在甲醇燃料电池阳极催化剂载体方面的应用。3、以玉米秆为碳源,与Ag+离子通过基团配位作用进行配位,碳化处理后制备了银/碳复合体,并对杀菌性能进行了研究。也可以同时与两种离子([Fe(CN)6]4-和WO42-、[Fe(CN)6]4-和MoO42-)配位,原位同步合成了碳化钨/纳米碳复合体和碳化钼/纳米碳复合体,并研究了碳化钨/碳纳米复合体在甲醇燃料电池阳极催化剂载体方面的应用。4、以葡萄糖为碳源,分别与铁、钴、镍离子通过基团配位作用进行配位,合成了磁性粒子/纳米碳复合体,并研究了磁性粒子/纳米碳复合体对染料罗丹明B吸附分离特性。同步与铁和银两种离子配位,合成了Ag-Fe3O4石墨碳(GC)复合体,并研究了这种复合体的抑菌性能。此外,同时将催化剂离子(Fe3-)及功能碳化物离子前驱体(PW12O403-、PMo12O403-)配位,成功制备了碳化钨/纳米碳复合体和碳化钼/纳米碳复合体,并研究了这两种复合体在甲醇燃料电池阳极催化剂载体方面的应用。