碳因其杂化方式的多样性存在丰富的同素异形体,在过去的几十年中,多种基于这些同素异形体的碳纳米结构被合成与研究,在生物医学、信息产业、工业和环境监测等应用领域受到高度重视。碳纳米材料的结构和性质在很大程度上取决于其键合成分及其配置,通过改变材料中Sp²C和Sp³C的比例,可以对其性质进行裁剪以满足相应的应用。用碳纳米团簇直接组装纳米材料有多的优势:1)可以直接在纳米尺寸上对材料中Sp²C和Sp³C的比例进行调整;2)由于团簇束流达到衬底表面时能量比较低,团簇可以保持自由状态时的结构和特性;3)团簇有很大的表面成分和特殊性质使得由团簇直接组装的材料表现出特别的性质。本文利用基于气体聚集法的团簇束流技术制备碳团簇,并将其与金属团簇共同组装超薄复合纳米薄膜和三维多孔复合纳米结构,研究其催化特性的调控和优化。通过冷凝距离和缓冲气压等团簇源操作参数的选择,实现对等离子体气体聚集法制备团簇的尺寸及聚集状态的定量或半定量控制。实验发现磁控等离子体气体聚集法所制备碳团簇的尺寸、结构和聚集状态高度依赖于团簇源所采用的磁控溅射方式。采用直流磁控溅射的团簇源可制备出表面光滑、形状均一、直径约为3-6 nm的球形碳团簇。而采用射频磁控溅射的团簇源则得到具有不规则表面的尺寸约为50 nm的碳团簇。直流溅射条件制备的碳团簇在衬底表面呈现高度分立且均匀的空间分布,所有的团簇保持独立的球形而不发生团簇的融合长大。而射频溅射条件制备的碳团簇,团簇间发生高度聚集。随着团簇生长冷凝距离的增加,由尺寸约为500 nm的具有弹道集团-集团聚集特征的稠密聚集体,向尺寸达数μm甚至10μm的具有明显的扩散集团聚集特征的树枝状分形聚集体演变。射频溅射条件制备的碳团簇的Sp²C成分及结晶度远高于直流溅射条件下制备的碳团簇。前者为表面未经充分弛豫的石墨小晶粒,而后者中石墨晶格发生严重畸变以形成球形表面。通过双靶等离子体气体聚集团簇源原位交替沉积Pd和C两种团簇,制备出由平均尺寸为4.5 nm的Pd团簇覆盖于平均尺寸为5 nm的C团簇点阵上构成的C-Pd团簇复合纳米薄膜,并以之修饰玻碳电极,构建了H₂O₂电化学传感器。团簇复合薄膜电极用于H₂O₂电化学催化性能的测试表明:C团簇中间层的引入可以增强Pd团簇催化H₂O₂的还原反应。当C团簇的沉积量为一个单层时（覆盖率为90%左右）,其增强作用最明显,表现为该复合薄膜修饰电极还原峰峰电流和灵敏度为仅用Pd团簇修饰电极的两倍左右。利用定向准直气相团簇束流掠角沉积过程中的“自掩膜”效应,通过对团簇入射角的控制制备了孔径大小为10 nm到20 nm的三维多孔碳纳米薄膜,由定向排列的碳团簇倾斜柱状堆积而成。将掠角沉积技术与双靶磁控等离子体气体聚集法相结合,交替沉积碳、钯团簇,制备了碳-钯团簇复合多孔纳米薄膜,薄膜由清晰可辨的团簇柱状堆积组成,团簇柱是由分立的碳团簇与钯团簇交替密集堆垛而成。这种孔隙度和成分均可控的复合多孔薄膜中,金属团簇嵌埋于碳团簇孔道中,既大大提高了金属团簇单位面积的负载量并保持极高的有效反应面积,碳团簇柱纳米孔道又可为金属团簇的催化过程提供特殊的限域反应环境,从而可望获得独特的优异催化性能。