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碳,作为组成物质最多的一种元素,一直是材料科学领域研究的重要热点。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料,这种微观特征使其具有与宏观材料完全不同的特殊性质。碳纳米材料以其独特的声光电磁学性质近年来受到材料学领域的密切关注,是目前研究最为广泛的纳米材料之一,在催化、能源、医学方面都有重要应用。尽管应用方面研究丰富,但是有关这些新型碳纳米材料的结构与性能方面之间的联系始终缺少研究。本文从探索新型碳纳米材料的结构出发,探索其新型结构与性能之间的联系。利用电子显微方法结合宏观表征手段探究了新结构碳纳米材料的构性关系。主要研究内容如下:碳量子点是近年来新兴的零维碳纳米材料,具有重要的应用。由于其合成方法多样,具有丰富的结构,但多未进行详细的结构论证。面心立方结构作为历来饱受争议的新结构,一直缺乏完整可信的论证。本文第一部分以柠檬酸为原料,利用水热法一步制备了具有面心立方结构的碳量子点,结构完整,形貌均一,平均尺寸约为3.2 nm。选区电子衍射结果表明碳核具有完整的面心立方结构,晶胞参数为3.63?。HRTEM、STEM图像表明碳核的原子排布、晶面间距与模拟结果相符合,且具有大量的五重孪晶结构,符合面心立方结构的特征。XPS、IFRT等宏观谱学表明,碳量子点表面存在羟基、羧基等有机官能团,核心为碳核。EELS结果表明,碳量子点内部碳核碳原子的电子结构不同于现有的石墨、金刚石等结构,其可能代表新型的s2p2杂化方式,结合丰富的五重孪晶结构,使碳量子点具有了抗摩擦等类金属的力学性能,原位加热实验表明其具有良好的热稳定性。石墨烯作为典型二维碳纳米材料,一直是研究的热点,被广泛运用于催化、能源等领域。而石墨烯拓扑缺陷作为一种缺陷结构,鲜有相关研究。本文以花青素等有机染料,利用热解法在不同温度下制备了一系列的缺陷石墨烯二维碳纳米材料,发现在900℃下热解得到的OPC-900具有最优的催化性能。电子显微学结果表明,在催化材料的边缘部分分布大量的拓扑缺陷结构。UPS结果表明这些拓扑缺陷结构改变了石墨烯材料的局域能级并使其对可见光可充分吸收,循环伏安法结果表明这些拓扑缺陷结构使其具有多重的氧化还原态,从而使其具有优越的催化性。在机械搅拌或者可见光条件下,即可积累电荷,分解水产生H2、O2,最高可达106.97μmol·h-1g-1以及47.65μmol·h-1g-1,机械能转化氢能效率达7.01%。