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基于电化学的超级电容器和电化学析氢及氧还原是能源存储与转换的两种重要方式。其中，超级电容器(supercapacitor)是一种介于普通静电电容器与二次电池之间的新型大容量能量存储元件。它具有比功率高、比容量大、成本低、循环寿命长、充放电效率高等优点，因此在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天等领域具有广阔的应用前景。超级电容器性能的优劣在很大程度上由电极材料的性能来决定，这促使人们将研究新型电极材料和提高材料的性能作为工作的重点。此外，电催化析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)是电能向化学能转化的一个有效途径，降低阴极析氢过电位(overpotential)是提高析氢活性，降低电解能耗的关键。为了提高电极的电催化活性，一是可以通过提高电极表面的真实表面积来降低电解过程中电极表面的真实电流密度，达到降低析氢过电位的目的;另一发展方向是提高电极材料本身的电化学活性，即寻找高催化活性的新型析氢材料。Pt族元素具有优异的电催化活性，其析氢过电位低，但由于地球存量低，很难应用于工业生产中。因此，研究和开发性能优良且价格低廉的高效析氢电极材料意义重大。同时，使用燃料电池(Fuel Cell)可以高效清洁利用氢能，是降低环境污染、实现减排的有效途径。成本高和耐久性差是制约其商业化的两大瓶颈，其中成本高主要是由于阴极大量使用储量有限的贵金属Pt造成的。因此，寻找对氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)具有高催化活性和稳定性的非Pt催化剂是降低Fuel Cell成本的根本途径。所以，制备出高性能的能源存储材料和催化剂是电化学能源转换与存储领域的重中之重。 碳基纳米材料涵盖范围广，是一类应用广泛的结构和功能材料。其中碳纳米洋葱(onion like carbon，OLCs)、碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)、石墨烯纳米带(graphene nanoribbons，GNRs)是近几十年发现的碳材料家族的新成员，它们在燃料电池、电化学析氢、超级电容器等众多领域具有广泛的应用价值。此外，不同结构的碳材料之间的复合，如CNTs与GNRs复合，可以结合两者的优点并拓展其应用。GNRs因其独特的片状结构和优异的性能使其在催化反应、存储及作为离子传输通道等方面具有较好的应用前景。为了获得大的比表面积，将GNRs制成阵列或准阵列形成三维结构是通行的一类方案。同时CNTs和GNRs的三维结构在高温和还原气氛下能够稳定维持，这为我们进一步制备CNTs/GNRs复合结构提供了材料基础。 本论文基于热丝气相沉积(hot filament chamical vapor deposition，HF-CVD)法，制备了垂直石墨烯纳米带(vertically aligned graphene nanoribbons，VA-GNRs)和碳纳米洋葱-石墨烯纳米带(OLCs-GNRs)，碳化钨-碳纳米管(WC-CNTs)和碳化钼-石墨烯纳米带(Mo2C-GNRs)的复合材料，提出了HF-CVD制备碳基纳米材料的生长机理，将VA-GNRs、OLCs-GNRs和WC-CNTs、Mo2C-GNRs分别应用于电化学能源存储与转换之中，获得了高能量密度、高功率密度的超级电容器和高活性、高稳定性电化学催化剂。本论文主要包括以下几方面的内容: 基于对原子态氢同碳纳米管作用的认识，以HF-CVD作为处理垂直碳纳米管的工具，制备具有teepee（美国印第安人的圆锥形帐篷）结构的垂直石墨烯纳米带阵列(VA-GNRs)。并对原子态氢产生、作用机理进行了分析。当充放电速率为1.0Ag-1时，基于垂直石墨烯纳米带阵列电极的超级电容器其电容值为115.7Fg-1，功率密度和能量密度分别为2.7 kW kg-1和105.6 Wh kg-1。VA-GNRs增加了有效可利用面积，其优良的导电性提供了高效的电荷传输途径，且石墨烯纳米带垂直阵列的形貌为离子的传输提供了笔直、快速的通道。这种通过原子态氢处理制备新型碳纳米材料的思路为能源存储材料和电催化剂的制备与性能优化开辟了一条新的道路。 利用垂直碳纳米管作为碳载体，以SiC作为纳米金刚石成核、生长的籽晶，以纳米金刚石为前驱体，制备碳纳米洋葱。与此同时，由于原子态氢的刻蚀作用，垂直碳纳米管阵列被径向剖开，形成石墨烯纳米带，最终形成OLCs-GNRs的复合材料。OLCs-GNRs复合材料保留了碳纳米洋葱的多孔特性和垂直石墨烯纳米带阵列的定向笔直特性。对原子态氢处理Si，形成碳纳米洋葱的形貌、结构、机理进行了分析。基于OLCs-GNRs复合电极的超级电容器电容值在100 mV/s时为104.6 F g-1。功率密度和能量密度分别为270.2 kW kg-1和36.4 Wh kg-1，这些数值远高于普通碳材电极制备的超级电容，达到实用标准。这种通过材料复合来增加比表面积的思路对能源存储材料的制备与性能优化具有较高的借鉴意义。 以金属W作为前驱体与气体碳源反应，制备了纯相的WC纳米晶体。研究了WC相组成与HF-CVD工艺条件的关系，发现WC相组成与温度有关，当生长温度为950-1050℃时，为WC相;当温度高于1050℃时，有W2C生成。所获得的WC-CNTs复合材料在酸碱介质中均具有良好的电化学析氢催化活性和稳定性。其η10（10 mA cm-2的过电位）、开启过电位、j@300 mV和Tafel斜率分别为145 mV，15 mV，117.6 mV，72mVdec-1和137 mV，16 mV，33.1 mV，106mVdec-1，这为制备高性能WC基电催化剂以及探究电催化析氢反应机理创造了条件。 利用垂直石墨烯纳米带阵列作为碳载体，以金属Mo作为钼源与气体碳源反应，制备了平均晶粒尺寸为7.45 nm的碳化钼纳米晶体。所获得的Mo2C-GNRs复合材料在酸碱介质中均具有优异的电化学析氢活性和稳定性。碳化钼-石墨烯纳米带复合电极在酸碱介质中其η10、开启过电位、Tafel斜率分别为:152mV，39 mV，69 mV dec-1和121 mV，53 mV，59mV dec-1。碳化钼-石墨烯纳米带复合电极同时具有较强的电化学氧还原催化活性和稳定性，其峰值电流为2.01 mAcm-2，开启电压为0.94 V vs.RHE。通过对垂直石墨烯纳米带阵列、碳化钼和Mo2C-GNRs析氢和氧还原反应活性的比较，得到了碳化钼纳米晶体同石墨烯纳米带纳米片协同作用(synergistic catalytic effect)提高Mo2C-GNRs复合材料析氢和氧还原反应活性的结论，为设计开发能钼基电催化剂以及探究析氢和氧还原反应机理创造了条件。