纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100 nm的碳材料,主要包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管和碳纤维、二维的石墨烯以及其他类似巴基葱和纳米金刚石等。由于碳纳米材料的可塑性非常强,不同的结构的纳米碳材料通常表现出完全不同的性质,同时,丰富的种类赋予了纳米材料不同的电学、力学、热学及其光学性质,使得纳米碳材料在众多领域都具有广阔的应用前景。包括太阳能电池、锂离子电池、场效应晶体管、超级电容器、催化、传感器、生物医学以及复合材料在内的众多领域都具有多种而且丰富的选择。本论文从碳纳米材料的设计和合成出发,对合成的纳米碳材料的形成及其性质展开一系列的研究工作,主要研究内容如下:(1)利用亲核取代反应,合成了一系列具有双亲性的富勒烯氨基酸酯氯化物,并且可以自组装形成载药的囊泡。合成富勒烯氨基酸酯氯化物的反应条件较为温和,并不涉及高温、高压或者无氧、真空等极端条件,并且其自组装的环境友好,通过分子间作用力、π-π作用等很容易在极性溶剂中自组装形成具有载药功能的载药囊泡。通过合理选择其氨基酸酯的取代基,可以获得不同尺寸和极性的囊泡,并且具有不同的载药量和释放速率。其载药量和囊泡直径大小呈现出正相关的趋势,其药物释放速率则与富勒烯氨基酸酯氯化物的极性呈现出正相关的趋势。(2)通过建立富勒烯光催化评价体系,以氙灯光源的电流为10A,全光谱光照的条件下,温度为25 ℃室温,催化剂浓度为0.3 mg/mL,反应时间1 h为反应条件,分别对四种富勒烯的光催化氧化萘酚为萘醌的催化性能进行了对比,并且对富勒烯光催化氧化的过程进行了机理研究。该催化反应在室温、空气条件下即可进行。研究结果表明,富勒烯的光催化氧化性能和其LUMO能级有关,其中以C70作为光催化剂,其催化活性表现最为优异,萘酚的转化率为88±2.1%,萘醌的产率为52±5.3%。其催化活性的顺序与有机太阳能电池的能量转换效率具有类似的活性顺序,由此提出了一种非接触式无器件简便易行的判定有机太阳能电池能量转换效率的方法,在有机太阳能电池和光催化氧化中富勒烯的能级和激发态的密度是相似的,其转化率和有机太阳能电池的能量转换效率以及电池中开路电压和短路电流的乘积呈现出较强的相关性。(3)设计并改造了原有的化学气相沉积微区加热装置,并使用正交实验和单因素变量实验等方法优化实验变量,得到了单层缺陷较少的高质量石墨烯。在生长合成过程中,电流大小、氩气流量、氢气流量、甲烷流量以及生长时间都会对生长出的石墨烯的层数和缺陷有不同的影响。通过控制不同的反应条件,可以得到层数和缺陷均有不同的石墨烯。(4)以富勒烯为原料,通过自由基反应合成得到了含氮的类巴基葱,并可以作为催化剂的载体材料,提升催化剂的催化活性,使得铜硅催化剂催化草酸二甲酯加氢成为乙二醇时,即使在较高空速下,其转化率和选择性均有所提高。合成含氮的类巴基葱在室温条件下即可,条件温和,且可以大量合成。另外,研究结果表明,其反应为自由基历程,其生长过程符合一般巴基葱碎片-融合-重组的过程。在空速达到8.4 g g-cat-1 h-1时,其转化率由14.7%最高可以提高到33.7%,选择性由2.49%最高可以提高到7.2%。