低维纳米材料由于独特的物理和化学性质,在能量存储转化、环境监测、催化、传感器、医药、电子、光学等众多领域显示了巨大的应用前景。将实验和第一性原理的理论计算结合是当前研究纳米材料性质的热点之一。近年来,二维石墨烯因高比表面积、良好热电传导性、高电催化活性、超优载流子迁移率、高机械强度、高透光性等优异性能而成为“明星材料”。将石墨烯进行修饰或官能化能大大改善其性能,拓宽其应用领域。作为与碳同族(IVA)的硅元素,硅纳米管是继碳纳米管之后的又一新颖一维纳米材料,在纳米电子器件中应用潜力极大。本论文一方面制备和表征了氧化石墨烯及吡啶炔修饰的石墨烯,研究了其催化性能。另一方面,利用密度泛函理论模拟预测了可能存在的新型冠状硅纳米管,指导实验。具体研究内容如下：(1)采用改进Hummers法制备氧化石墨烯,经洗涤、离心得到氧化石墨烯。XRD、FTIR等结果表明,氧化石墨烯的层间距加大,表面含有大量羟基、羧基、环氧基等极性基团,使氧化石墨烯的亲水性良好。将该氧化石墨烯用于催化苯甲醇,考察了原料用量、反应时间和反应温度等因素的影响。结果表明,氧化石墨烯可以催化苯甲醇脱水生成二苄醚,在保持较高选择性的条件下,产率达85.4%。(2)合成不同官能团取代的毗啶炔,将其与石墨烯复合形成吡啶氮掺杂的石墨烯,并对该纳米复合材料进行系列表征,证明了吡啶氮成功负载在石墨烯表面。将吡啶氮修饰的石墨烯用于氧还原反应(ORR),与原始石墨烯相比,大大加强了氧还原性。(3)采用第一性密度泛函理论及分子动力学模拟,建立了四种冠状的多壁硅纳米管,研究了它们的结构、稳定性、电子性质和弹性模量等。结果表明,与体相硅和类碳纳米管的硅纳米管截然不同,冠状多壁硅纳米管表现出金属性,具有较高稳定性和良好弹性。提出了实验上合成该种多壁硅纳米管的可能性。