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炭基纳米复合材料以其特有的结构特点以及由此产生的一系列独特的物理、化学性质，在锂离子电池、燃料电池、纳米电子学、生物传感器、环境检测、医药等方面具有广泛的应用前景。如何合理控制炭基纳米复合材料的形貌结构，实现对其孔径分布、组成、晶体结构乃至物性的调控，对于深入研究结构与物性的关联、并最终实现按照人们的意愿设计合成功能材料具有重要的意义。本论文利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等技术对新型纳米结构的炭基复合材料的合成方法、新型纳米结构的炭基复合材料设计合成及形成机制等方面进行了有益的探索。此外，采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和计时安培(I-t)等技术研究了这些炭基纳米材料的电化学性质。本论文主要开展了以下几个方面的研究：
以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵为结构导向剂，通过水热方法合成了掺有少量ZnO的介孔SnO2复合物(m-SnO2/ZnO)。相比于纯相的介孔二氧化锡(m-SnO2)，该复合物具有更大的比表面积，并且表现了更好的热稳定性。此外，该m-SnO2/ZnO对罗丹明B的光降解表现了比m-SnO2更强的催化活性。该方法还可用于在碳纳米管的表面原位生长具有介孔结构的SnO2(MWCNTs@m-SnO2)，从而制备了一种具有孔-管结构的新型纳米复合物。由于其特殊的孔-管结构特点，该复合物作为锂离子电池负极材料表现了较好的充放电性能。
以葡萄糖为碳源，在表面活性剂十二烷基磺酸钠的辅助下合成了具有宽尺度分布的空心结构碳球，这些碳球经过隔绝空气条件下900℃的炭化处理后，形貌并没有发生明显改变。以硼氢化钠作为还原剂可直接将铂纳米粒子沉积在空心炭球的内表面和外表面，并具有很好的分散性。该复合物作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂载体时，表现了比商用炭材料作为载体的催化剂更好的催化活性及稳定性。
通过水热方法使葡萄糖在AAO的有序孔道内发生聚合反应，并经过高温炭化处理，在此基础上，通过反复浸渍还原的方法可将铂纳米粒子沉积到有序阵列碳纳米管的内外表面，除去AAO模板后，可得到管内外表面都修饰有铂纳米粒子的开口碳纳米管复合物。通过电化学方法研究了这种特殊结构的复合物的性质，发现其对甲醇电化学氧化的催化具有较高的催化活性。
利用阳极氧化铝和硅基介孔材料为模板，将葡萄糖的还原性质及其在水热条件下的聚合反应巧妙地结合起来，建立了一种一步合成各种炭纳米材料担载贵金属(铂、金、银)纳米粒子的通用方法。
以SBA-15为模板，制备了介孔炭担载高分散纳米粒子的复合物，由于铂纳米粒子本身被一层薄的微孔炭膜包覆，所以形成了一种壳核结构纳米粒子。由于该复合物具有特殊的孔道结构、高比表面积，并且实现了铂纳米粒子的高度分散，该复合物表现了抗甲醇催化氧气还原的优异催化性能。
一步法制备了负载铂纳米粒子的碳纳米管复合物。并以该复合物制作了修饰电极，其对H2O2的电化学还原表现了很好的催化活性，其用于H2O2的检测具有较宽的线性范围以及灵敏的响应。进一步将该复合物与葡萄糖氧化酶结合，可以得到对葡萄糖具有快速、灵敏响应的生物传感器。该传感器除了可以避免一些常见电化学活性小分子的干扰外，还具有相当好的稳定性。