以富勒烯、碳纳米管和石墨烯为家族成员的碳纳米材料是近年来纳米科技发展的一面旗帜,是众多科学家竞相研究的热点。随着研究工作的不断深入,从理论探讨到制备工艺开发都取得了一系列重大的突破。而碳纳米材料低成本规模化可控制备、生长机制至今仍然是限制其工业化应用的主要瓶颈。本论文工作以不同组成和结构特征的碳源为前驱体,系统研究了富勒烯和碳纳米管的可控制备和分离提纯,并对碳原子数60以下的低碳富勒烯加氢、卤化生成机制进行了理论研究。主要研究结果如下：(1)优化电弧放电工况条件及固体碳源组成和结构,成功获得了高产率的富勒烯。采用12脉冲可控硅整流电源减小整流电压波动,改善直流放电质量和放电电弧平稳性,粗富勒烯收率明显优于6脉冲整流放电之结果；无烟煤、针状焦、石墨、膨胀石墨均是合成富勒烯的合适原料,其中以膨胀石墨为碳源,富勒烯产率最高,表明前驱体的结构与富勒烯产率之间有内在的关联。(2)将模拟移动床色谱分离技术应用于粗富勒烯的分离提纯,获得了高纯度/高提取率的富勒烯。以粒径20μm-30μm、孔径12nm的球形ODS为固定相,一定比例的甲苯、甲醇混合溶剂为淋洗液,在模拟移动床色谱分离系统上可实现C60、C70与其他杂质的高效分离,从而获得高纯度、高产率的产品,其中C60纯度大于98%,提取率95.7%,C70的纯度大于98%,提取率达到98%。(3)以煤、针状焦为碳源,可控制备得到了多种不同形貌和结构特征的碳纳米材料。采用直流电弧放电技术,在0.020MPa氦气气氛下,以白杨树煤(无烟煤)为原料,制备得到了大量管径50nm左右的开口竹节状碳纳米管和以绒毛球状组装结构存在的直径20nm-30nm的碳纳米纤维；以高度光学各向异性的针状焦为碳源,铁粉为催化剂,直流电弧放电获得了表面修饰铁纳米粒子(5nm-10nm)、长度达微米尺度、直径20nm-50nm的一维碳纳米棒结构；以针状焦为碳源,FeCl3作为催化剂前躯体,通过直流电弧放电制备出了高质量和高产率的双壁碳纳米管,表明针状焦是制备双壁碳纳米管的理想原料。(4)利用密度泛函理论开展了富勒烯与H、F、Cl原子相互作用机理研究,为研究碳纳米材料的微观形成机制提供了有价值的信息。通过势能面分析和异构体之间转化活化能计算,对C28(Td)、C40(Td)的氢化与卤化机制进行了理论预测,发现C28(Td)、C40(Td)更容易与X(X=H、F、Cl)原子发生反应,生成更加稳定的C28(Td)X4和C40(Td)X4化合物。对C28(Td)X、C40(Td)X各自异构体相互转化的研究表明,它们之间的反应都是一步反应,由于反应通道的能垒较高,在室温下它们之间的相互转化难以实现。