碳、氮原子都具有灵活多变的成键方式,能够形成结构和性质多变的单质材料与化合物,构成了丰富多彩的碳基材料大家族,如石墨,石墨炔,石墨烯,碳纳米管,g-C3N4,金刚石等。石墨作为一种古老的sp2杂化键合结构的代表,在人类生产、生活中发挥着重要的作用,激发了科学界极大的研究热情。众所周知,石墨层内碳原子通过三个σ键结合呈六边形蜂窝网状结构,而垂直石墨层的pz轨道可与层内近邻碳原子形成离域π键,层间通过范德瓦尔斯力结合。通过调控石墨层间的π-π作用使轨道再次杂化能够有效地改变其电学、光学和力学性质。相比于石墨,sp2杂化键合的石墨相g-C3N4、碳纳米管等是近来人们研究的热点材料,它们具有不同于石墨的π电子分布,在催化、光学、力学等方面展现出优异的性能。通过压力探究这些材料体系中π-π相互作用、甚至使轨道再次杂化,能够深入认识其结构与性质,为构筑新的功能材料提供了理想的候选材料和丰富的来源。然而,目前相关方面的研究还较少,特别是利用高压调控g-C3N4体系中π-π相互作用与使碳纳米管成键类型发生转变获得新型碳基材料,仍然存在明显的不足。针对这一问题,本文对g-C3N4与单壁碳纳米管这两种材料开展了高压研究,得到如下结果:1.石墨相g-C3N4具有合适的能带结构,是优异的光催化制氢材料。g-C3N4材料少层化是提高材料比表面积、加速光生电子空穴对分离,进而提高其催化效率的重要途径。然而,目前制备少层碳氮材料的方法一般产量较低、工艺较为复杂。为此,我们发展了一步合成高质量少层g-C3N4材料的自剥离方法,利用三聚氰胺、尿素为前驱体,在密闭高温环境下烧结,分别获得两种催化效率较好的少层g-C3N4样品,标记为M-CN和U-CN。通过紫外可见吸收光谱、光电流响应、模特肖特基曲线,发现M-CN导带底低于U-CN展现出更强的光氧化能力,而且M-CN光生电子空穴对更容易分离。M-CN相对U-CN催化效率提高20%,是体相g-C3N4的37倍。该结果为合成高效催化性质的少层碳氮材料提供了新途径。2.石墨相g-C3N4不仅具有优异的光催化性能,还是一种潜在的发光材料。常压下,g-C3N4发光与π-π（9）跃迁密切相关,通过压力调控π电子作用有望改变其电子结构以及荧光性质,进而能够深入认识其发光起源以及实现材料新的功能特性。因此我们对上述合成的少层g-C3N4样品展开了高压下结构与性质的研究,重点研究层间作用、π电子作用变化诱导的压致变色现象。研究发现,少层g-C3N4样品（FL-CN）在6 MPa压力下就出现了明显的荧光增强现象。通过紫外可见、红外光谱,表明材料中N-H…π作用增强,抑制了FL-CN非辐射跃迁,利用光电流谱图,发现压力提高了FL-CN光生电子空穴对复合效率,进而解释了其荧光增强机理。更高压力下,FL-CN荧光颜色能够从蓝色（434 nm）调控到黄色（550 nm）,出现明显的压致变色现象。有趣的是,当压力高于3 GPa,层间压缩率明显降低,表现出比石墨更难压缩的性质,并伴随着出现明显的荧光强度降低、荧光峰宽化的现象。通过理论模拟,发现这是由层间滑移导致的异常变化。该结果表明层间相互作用在FL-CN光学性质中其主要作用,进一步揭示了其荧光机理。3.随着层数增加,体材料g-C3N4的层间作用有望展现出不同的压力响应与转变机制,因此,我们进一步展开了对体材料g-C3N4高压下能带结构与性质变化的研究。通过荧光光谱,发现体材料g-C3N4也出现了压致荧光增强现象,但增强压力提高至0.44 GPa。高压下,体材料g-C3N4荧光颜色还可以实现更大范围的调控,从蓝色到白色。分子动力学研究表明压力导致层间滑移进而使材料发生从间接带隙到直接带隙转变,因此体材料g-C3N4表现出不同于少层样品的荧光增强的机理。进一步分析其能带结构与态密度,发现层间滑移影响了g-C3N4中芳香环上氮和碳原子上的电子,特别是π电子的分布,这可能是导致材料发生带隙转变的原因。该结果为碳氮材料的能带工程开辟了一条新的途径,该途径可以改善碳氮材料的光利用率,提高其光催化和光学性能。4.单壁碳纳米管可看成是由单层石墨烯卷曲而成的具有中空管状结构的sp2碳材料,不同于平面层状结构的石墨,管状结构中pz轨道通过重新杂化成sp3杂化轨道可使碳管间发生聚合,进而形成新的具有优异力学性能的碳结构,其结构与碳管直径、螺旋性密切相关,具有丰富的可调性。实验研究发现直接压缩碳纳米管确实可以获得能常压截获的sp3碳相,但其结构仍未确定。因此,我们利用相比于前人研究中更接近实验碳管直径的单壁碳纳米管为研究对象,采用理论模拟方法,在高压下获得了4种硬度接近金刚石的新的sp3超硬碳结构,且其带隙可调,分布在2.6到5.2 e V之间。其中（19,0）碳管聚合而成的新碳结构（命名为K-Carbon）带隙只有金刚石的一半,而硬度媲美金刚石达83 GPa,是一种潜在的新型超硬多功能材料;前人实验报道冷压碳管获得的超硬碳相也可以用我们预测的Cco-C160解释。该新碳结构可通过（20,0）碳管聚合而成,展现出与实验更为吻合的XRD谱图,是实验超硬碳相的候选结构。该结果为构筑新型多功能超硬碳结构提供了理论基础。