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碳纳米材料的兴起与蓬勃发展为各个学科注入了新鲜的活力。它们独特的优势，使其在生物医学、环境和能源等领域中都显示了巨大的应用前景。本论文主要围绕功能化碳纳米材料的设计而展开，构筑了几种具有优良性质的碳纳米材料，探索了这些材料在环境污染物治理，超级电容器设计以及生物医学成像等方面的应用。主要研究结果如下:
1.采用无毒前驱物一步水热法合成了一种新型吸附剂——石墨烯/四氧化三铁复合物。该复合物既具有石墨烯大的比表面积又具有四氧化三铁磁分离的双重优势，因此在实际水样处理中展现了良好的吸附能力（对两种典型的染料污染物罗丹明B和孔雀石绿的去除率分别达91％和94％以上）和快速分离的效果。同时，该吸附剂利用绿色溶剂——乙二醇进行简单洗涤后即可重复使用，并且循环使用五次后对染料的去除率仍达80％以上，从而大大降低了其使用成本。该材料有望为未来染料污染物的去除提供一个新的平台。
2.利用自然界中广泛存在的原核生物—细菌和石墨烯为原材料，通过简便易行的自组装和冰模板技术，成功制备了同时具有纳米孔和微米孔的多层次结构碳材料。该碳材料具有高的比表面积和丰富的孔结构，同时具有大量的杂原子。这些结构和组成优势使得该材料与以往报道的碳材料相比具有明显的电容优势，其比电容值在充电电流1Ag-1时仍高达327Fg-1。此外，该电极材料也呈现了较大的功率密度以及良好的稳定性。这为合理利用自然界的丰富资源，进而构筑一系列用于高效储能装置的新材料提供了一个崭新的视角。
3.利用与人们生活息息相关的酵母细胞作为原材料，采用一种无模板的方法制备了具有三维大孔结构的碳材料。该材料被用作超级电容器电极材料时，显示了巨大的优势，在充电电流1Ag-1时，其比电容值仍高达330Fg-1。这为设计新的储能材料提供了一个新方法。
4.我们首次提出了一种非共价方法，成功制备了Gd功能化的金纳米棒多功能纳米成像探针。实验结果表明，该纳米探针具有低的细胞毒性，高的r1弛豫率和单个纳米粒子弛豫率，以及有效的CT成像能力。这为发展多功能纳米成像探针提供了一个良好的平台。