纳米炭材料因具有良好的物理化学性质而被广泛的研究应用。最近,水滑石(Layered Double Hydroxides,LDHs)材料作为一种先进的二维功能材料成为了储能与催化领域研究热点。人们发现,不仅可以使用电化学惰性的LDHs作为模板制备新型纳米炭材料,或者利用具有催化活性的LDHs原位催化生长纳米炭材料,而且还可以将具有电化学活性的LDHs与纳米炭材料复合得到具有多功能性的多维复合材料。纳米炭材料与LDHs形成的复合材料可以继承这两种组分材料的优点,甚至可以形成具有超出预期的多功能材料。采用先进的方法以LDHs为模板制备的的新型炭基材料在电化学能量存储和转化中具有重要的潜力。通过此类方法制备得到的炭基材料通常具有丰富的孔结构和合适的中孔分布,当用作锂离子负极材料时,有利于电解液和活性物质的充分接触,继而使材料的储锂性能得到提高。除此之外,自身具有良好的氧化还原反应和内在催化特性的LDHs在能量储存与转换领域日益引起关注。本论文旨在以LDHs为模板制备新型的具有优良储能性能的纳米炭基材料。研究了 LDHs形貌和组成变化对所制备炭材料的形貌、结构和储能性能的影响,揭示出具有优良性能的锂电炭基负极材料的设计原理、制备方法与储锂机理。首先,以剥离的层状MgAl-LDHs为模板,蔗糖作为碳源制备具有片状纳米结构的层次多孔炭(Novel Hierarchical Porous Carbon,NHPCs)。剥离的MgAl-LDHs作为硬模板可以在炭基体内造出狭缝状的孔,与此同时,蔗糖碳源也可以吸附在剥离的LDHs层板的表面,经炭化后形成炭纳米片。通过调节模板与碳源的添加比(5:1,2.5:1和1:1),可以得到具有不同比表面积、中孔含量和炭纳米片数量的NHPCs。模板的添加量越多越有利于形成中孔和炭纳米片结构,而具有更多中孔和炭纳米片结构的NHPC-5.0呈现更好的储锂性能。作为锂电池负极材料时,在50 mA g-1的电流密度下,NHPC-5.0具有1151.9 mAh g-1的可逆比容量,并表现出优异的倍率性能和循环稳定性。这主要可以归因于炭基体内的多孔结构有利于电荷的转移并为锂离子传输提供更短的传输通道,可以提高电极材料的倍率性能;狭缝型孔的存在可以为储锂提供更多的活性位点,进一步可以提高电极的比容量;NHPCs的炭纳米片和多孔结构的存在有利于加强NHPCs和电解液的接触,增强电解液对活性物质的浸润效果。MgAl-LDHs经一步煅烧法可以得到镁铝双金属氧化物微球,以该微球为模板,以蔗糖作为碳源,通过浸渍、炭化等过程制备了层次多孔炭微球(Hierarchical Porous Carbon Microspheres,HPCMs)。通过调整碳源/模板比例,可实现对HPCMs形貌以及孔结构的调节,得到球形度好、孔结构发达的炭微球材料。当用作锂离子电池的负极材料时,碳源与模板比例为1:1的HPCM-1在0.05、0.2和1 A g-1的电流密度下展现出了 1140.5、650.3和347.9 mA h g-1的可逆比容量。HPCMs的疏松多孔的球形结构可以缩短锂离子的扩散距离,提供更多的反应活性位点,有助于提升材料的比容量和倍率性能。利用LDHs材料的层板离子可搭配的特性,将层板中的镁、铝离子替代为钴、镍离子,通过水热法合成制备了 CoNi-LDHs微球。引入石墨烯对CoNi-LDHs微球进行包覆得到CoNi-LDHs/石墨烯复合材料(LDH/Gs)。石墨烯与LDHs的比例对电化学性能具有重要影响。石墨烯与CoNi-LDHs的质量比为1:2.5的LDH/G-2.5用作锂离子电池负极材料时,在0.05、0.2、2和10 A g-1的电流密度下可分别保持1428.0、1099.9、670.8和328.1 mA hg-1的可逆比容量。在10 A g-1的测试条件下,在一万次循环之后容量保持率为75%,显示出优良的循环稳定性。LDH/Gs复合材料兼具有CoNi-LDHs的高化学反应活性和石墨烯的良好的导电性和强机械强度。在电化学充放电循环过程中,包裹在外面的石墨烯“外壳”可以为作为缓冲器抑制金属氢氧化物的体积膨胀效应,利于提升材料的长周期循环稳定性。利用球形CoNi-LDHs组装体为催化基体,吡啶作为碳源和氮源,通过控制催化温度,制备得到具有不同形貌的氮掺炭组装体材料。当催化合成温度为600℃时,吡啶蒸汽于CoNi-LDHs片层表面气相沉积,生成三维石墨烯网。温度升至800℃,在CoNi-LDHs进一步催化作用下,于石墨烯纳米片上生成炭纳米洋葱。当温度更进一步升至1000℃,炭纳米洋葱继续生长成碳纳米管,得到碳纳米管修饰的球状石墨烯网络组装体(CNT-NSGN)。CNT-NSGN的特殊的多孔结构和高含氮量(～8%)有利于材料导电性的提高和反应活性位点的增多,进一步使材料的电化学性能得到提高。