碳材料广泛存在于自然界中,成本低廉,引起了科研人员的广泛的研究兴趣,随着碳量子点、石墨烯等新型纳米碳材料的出现,碳材料研究进入了新的时代。研究表明,碳同素异形体结构对碳材料本身的性质有着深远的影响,例如,零维结构的碳量子点具有独特的荧光特性和明显的量子效应;二维结构石墨烯具有极高的理论比表面积、优异的导电性和电荷输运能力;三维结构的多孔碳则有着更强的结构稳定性和更高的孔隙率,因而调控碳材料及其复合物的结构就显得尤为重要。本文采用不同的合成方法和制备条件,通过调控碳材料或者过渡金属复合物的结构,从而获得了一系列结构不同的碳基复合材料;利用XRD、XPS、TEM等表征手段分析材料的物相、成分和微观结构,研究不同结构碳基材料的生长机制及其对形貌的影响;研究碳基材料在染料处理和电解水方面的催化性能及物理机制。本文主要研究内容如下:（1）通过液相法制备了α-Ni（OH）2/RGO前驱体,并在H2/N2混合气氛中不同温度下进行退火处理,得到不同结构的Ni@GR/RGO碳基复合物。结合XRD、XPS、STEM等多种手段,分析了碳包覆的形成机理以及Ni的转化机制,发现Ni（OH）2在逐步转换成Ni的过程中首先生成Ni O这种中间产物,然后Ni O再转变为金属Ni。Ni暴露出的（111）晶面能够催化石墨烯生长,从而被石墨烯包覆,而（200）和（220）晶面不具备催化石墨烯生长的能力,使其更容易被暴露出来。这种独特的生长机制使Ni颗粒具有更多的原子台阶,且对染料降解具有更高催化活性的（200）和（220）晶面的暴露有利于提高催化剂的催化效率。最后,以还原硝基苯酚染料为指针反应,测试了不同温度退火后Ni@GR/RGO的催化反应速率,结果表明,450 ℃和550 ℃退火后的Ni@GR/RGO结构具有更高的催化活性。（2）采用水热法,在石墨烯纳米片上一步合成了不同Ni:Co比例（1:0、2:1、1:2、0:1）的Nix Coy CH纳米线,得到了不同结构和形貌的Nix Coy CH/RGO碳基复合物。SEM结果表明,Ni、Co比例对最终产物的物相和尺寸有着决定性的影响,Nix Coy CH纳米线的尺寸随着Co占比的增大而增大,且改变两者占比也会直接影响纳米线的物相。进一步的XPS表征则揭示了不同Ni、Co比例造成物相和形貌差异的物理机制,这是由于Ni和Co元素在形成碳酸氢氧化物时的键合机制存在差异。此外,通过改变Ni、Co总量发现其对Nix Coy CH纳米线的尺寸影响不大,但随着总量增加,纳米线的密度显著增大。电解水性能测试结果表明,当Ni、Co两者以1:2和2:1比例复合时,所得的碳基复合物催化性能更好,这可能是由于Ni、Co之间的协同效应引起的。（3）利用球磨法获得前驱体,而后在不同气氛、不同温度下进行烧结,从而得到了一系列不同结构的碳基复合材料。以硝酸钴为金属源,根据碳源（三聚氰胺、双氰胺）和烧结气氛（Ar、H2/Ar）的不同,分别命名为Co-MC-A,Co-MC-H和Co-DC-H,结果表明,碳源和烧结气氛均对碳材料的形貌结构有着显著的影响。以三聚氰胺为碳源时,发现在Ar气氛中烧结的Co-MC-A样品仅在650 ℃时形成了三维多孔碳结构,而在更高温度烧结后这种三维碳结构消失,同时形成了直径100-500 nm的碳纳米管,此时Co颗粒并未完全被碳纳米管包覆且尺寸不均匀。而采用相同碳源在H2/Ar气氛中烧结的Co-MC-H样品均形成了特殊的3D Co@CNTs/GSs结构,即在石墨烯薄片上形成了尺寸及分布均匀的碳纳米管,而碳纳米管中包覆了Co纳米颗粒,基于这个现象,提出了Co颗粒和CNTs之间的相互束缚生长机制。以双氰胺为碳源时,在不同烧结温度下都未形成石墨烯结构,而是形成了碳纳米管包覆Co颗粒的Co@CNTs结构,且碳纳米管直径和Co颗粒的粒径均差异较大（十几纳米-亚微米）,这可能是由于两种碳源对Co的络合能力不同造成的。催化电解水结果表明,氢气的引入虽然促进了自催化的碳包覆生长,但过厚的碳包覆反而阻隔了催化反应的进行,催化性能反而不如Ar气氛烧结的样品。（4）基于上一章的研究结果,选取以三聚氰胺为碳源,硝酸镍为金属源,制备了不同结构的Ni@CNTs/PGSs碳基材料。利用SEM、Raman等表征手段研究了不同温度下烧结的碳材料形貌结构特点,发现当金属源替换为Ni时,碳材料更倾向于形成多孔片状结构,而非碳纳米管或者石墨烯,但仍然存在少量碳纳米管中包覆了Ni纳米颗粒的Ni@CNTs结构。此外,进一步利用半胱氨酸引入S元素,研究了S掺杂对于碳基材料的形貌结构和催化性能的影响,结果表明引入S之后形成了三维多孔石墨烯薄片结构,且碳纳米管和金属颗粒不易生成,这表明S掺杂抑制了Ni的自催化生长碳包覆效应,从而导致没有形成碳包覆金属Ni或Ni3S2结构。催化电解水结果表明,S掺杂更倾向于形成石墨烯薄片结构,但增大了样品的阻抗,导致电催化性能下降。