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能源短缺和环境污染与经济发展间的矛盾日益尖锐,使其成为制约我国经济社会发展的瓶颈。因此,开发新型储能材料和吸附材料备受国家和科研工作者的关注。中空碳纳米材料集碳材料、纳米材料和独特的空间结构等优势于一身,呈现出特殊的光学、电学、催化性质、相转变和粒子输运等特性,导致其广泛地应用于超级电容器、水处理、锂离子电池、光化学电池和催化剂等方面。目前,中空碳纳米材料主要分为管状碳纳米材料和空心碳球两类。其中,碳纳米管作为管状碳纳米材料的主力军主要用作超级电容器的电极材料；空心碳球则因其具有较大的内腔而被广泛地用于水处理。然而,碳纳米管由于比表面积较低而导致其比电容较小；空心碳球由于孔径的限制而导致其对水中部分污染物(如重金属和小分子有机物)有较好的吸附作用。因此,本研究将从发展新型储能材料和吸附材料两方面着手,分别基于碳纳米管在超级电容器和空心碳球在水处理应用中所存在的缺点,采用“扬长补短”的合成战略,设计一系列具有不同空间结构、形貌和优越性能的中空碳纳米材料,并对其应用性能进行详细地考察。本论文的主要研究内容和结果包括以下几个方面：(1)首次在自制的纳米反应器中制备了一种分散性较好的管状碳纳米棒。该方法利用Brij58在环己烷和水中形成的反相胶束作为纳米反应器,以棒状镍肼络合物为模板、间苯二酚和甲醛缩聚而成的间苯二酚-甲醛(RF)树脂为碳源,SiO2层为保护层,成功地制备了一种具有一维管状的中空碳纳米材料。通过对模板长径比和RF树脂厚度的调控,从而达到对管状碳纳米棒的可控合成(长径比为5-80、壁厚为5-8nm)。同时考察不同合成条件对产物形貌的影响；并利用透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、氮气吸附/脱附和傅里叶转换红外光谱(FT-IR)等手段对自制管状碳纳米棒进行详细地表征。(2)鉴于碳纳米管在双电层电容器应用中的优缺点,为了提高自制管状碳纳米棒的电化学性能,考察不同炭化温度对管状碳纳米棒ζ电位值、比表面积、石墨化程度和电化学性能的影响,探讨ζ电位值、比表面积、石墨化程度和比电容的关系,从而优化管状碳纳米棒的电化学性能,并得到比电容为132F/g(电流密度为0.9A/g)的管状碳纳米棒。研究表明,当功率密度为22.50kW/kg时,该材料的能量密度仍可达7.8Wh/kg,完全满足《美国新一代汽车合作伙伴计划》中对功率密度的要求(15.00kW/kg)。(3)采用溶胶-凝胶法制备纳米碳球；采用硬模板法,以RF树脂为碳源、Si02层为保护层,设计并合成一系列具有不同孔径大小和孔道结构的中空碳纳米球。其中,纳米碳球和纳米碳壳仅具有因RF树脂炭化而留下微孔的碳；纳米多孔碳壳还具有因多孔模板而留下介孔的碳壁；径向纳米空心碳球则因模板呈“菊花”状而具有径向孔。(4)以腐植酸作为探针反应,考察几种自制的中空碳纳米球和活性炭的吸附能力。研究表明,中空的囊腔和径向孔均有利于吸附剂对腐植酸的去除。基于径向纳米空心碳球(WCS)对腐植酸具有较好的吸附性能,通过改变RF前驱体的用量从而实现对WCS壁厚的调控；考察壁厚对ζ电位值、孔径、孔容和比表面积的影响；探讨ζ电位值、孔径、孔容、比表面积和吸附性能的关系,从而为优化WCS提供理论基础；全面考察具有不同碳壁厚度的WCS对腐植酸的吸附性能,结合吸附动力学的研究,分析优化后的WCS对腐植酸具有良好吸附性能的原因,并考察其吸附等温线及拟合情况。