设计和控制合成多功能性复合纳米材料是当前材料科学领域以及人类社会不断前进发展的驱动力。核壳结构纳米材料是一类将具有不同功能或组成的组分在不同空间上均匀、可控组装的新型复合纳米材料。这种有序组装结构可以在系统层面上实现核/壳组分间的协同相互作用,进而产生单一纳米粒子无法得到的各种优异性能,在光学、电子学、传感器、催化、生物以及医学等领域具有广阔的应用前景。到目前为止,人们已经在核壳结构纳米材料的合成、性能调控以及应用等方面取得了丰富的成果。然而,针对实际应用的需求,如何设计组装、控制合成具有新颖功能性以及特殊结构的核壳纳米材料并探索其形成机制仍然具有很大的挑战。本文力求充分考虑当今核壳纳米材料的研究前沿与发展趋势,根据实际应用的需求,开展了两方面的研究工作:(1)围绕二氧化钛壳层核壳纳米材料的设计合成、结构控制、功能调控、形成机制以及应用展开了系统的研究工作;(2)立足于碳材料的优异性能,尝试制备了多种功能性纳米碳材料,并探索了它们在电化学和生物领域的应用。论文的第二章提出了一种简易的动力学控制包裹的方法制备了二氧化钛壳层核壳结构纳米材料。在纯的乙醇溶液中,以TBOT为前驱体,通过调控TBOT的水解和缩聚反应动力学,使Ti02纳米粒子优先在功能性核材料表面异相成核和生长,同时避免其在溶液中的均相成核和生长的发生。这种方法首次拓展Stober方法用来包裹二氧化钛壳层,不仅简单,可重复,而且具有普适性,适用于包裹各种组成和形态的材料形成多功能核壳结构纳米材料,如:α-Fe2O3@TiO2、 Fe3O4@TiO2、SiO2@TiO2、GO@TiO2、C@TiO2、Fe3O4@SiO2@TiO2 NaYF4:Yb,Er@Si02@Ti02等。通过控制体系中氨水的量,可以方便地调控Ti02壳层的厚度(0-70 nm)。考察了在合成过程中其他反应参数对包裹Ti02的影响。以α-Fe2O3为核材料,所得α-Fe2O3@TiO2核壳结构纳米粒子具有高的比表面积(404 m2/g)和均一的孔径(约2.5 nm),通过焙烧处理,可以得到高晶化度,大孔隙率的锐钛矿相壳层,且可以很好地保持其单分散的核壳结构。此外,这类材料作为锂离子电池电极材料的性能也得到了初步的研究,显示出良好的锂离子储存性能。论文的第三章研究了动力控制包裹法制备的Ti02壳层的分子结构。我们采用XPS和FTIR仔细表征了在低浓度氨水催化作用下钛金属醇盐水解和缩聚产生的二氧化钛壳层的分子结构。证实了初始所得Ti02壳层是不完全水解的多分枝网络结构,骨架内含有大量有机R基团。我们利用超声水处理的方法,通过对其进行后水解,制备了高比表面积单分散的α-Fe2O3@mTiO2介孔锐钛矿核壳结构纳米粒子。通过焙烧处理,可以得到高度晶化的α-Fe2O3@mTiO2-500介孔核壳结构纳米粒子,其BET比表面积高达116.6m2/g。将其在H2气氛中还原,就可以得到Fe3O4@TiO2磁性介孔核壳结构纳米材料,其饱和磁化强度值为17.7emu/g。该材料对磷酸化肽显示出了高效的富集和磁分离性能,吸附容量高达300mg/g。论文的第四章调控了二氧化钛壳层的纳米结构和功能性。我们发展了一种简单的水热刻蚀辅助晶化的方法制备了基于钛基纳米片的双壳层蛋黄结构纳米材料。以三明治状Fe3O4@SiO2@TiO2核壳结构纳米粒子为母体,在碱性条件下水热,中间层Si02首先被刻蚀掉产生第一个空腔,此时,Ti02壳层具有两个与NaOH溶液接触的界面,因此,无定型的Ti02可以同时在这两个界面上沿着相反的方向被NaOH刻蚀并外延生长成钛酸盐纳米片。最终Ti02壳层被完全刻蚀掉留下第二个空腔。所得Fe3O4@titanate双壳层蛋黄结构微球具有均一的尺寸(~560nm),强的离子交换能力,高比表面积(150m2/g),高的饱和磁化强度值(17.7emu/g)。通过离子交换和焙烧处理,可以得到锐钛矿壳层的Fe3O4@s-TiO2双壳层蛋黄结构微球,作为一种磁分离的光催化剂,显示出非常好的光降解罗丹明B的性能。通过简单控制水热反应条件,我们可以方便地调控钛基壳层的纳米结构和功能性,如从单层到双层;每层组装的纳米结构基元也可从零维纳米粒子到二维纳米片以及一维纳米管。论文的第五章发展了一种溶胶凝胶设计的方法制备了超分散二氧化钛纳米晶/石墨烯复合材料。这种可控的制备主要是通过有效地分离合成过程中存在的主要反应步骤,如:纳米颗粒的负载、纳米颗粒的晶化以及氧化石墨烯的还原等,然后分别加以控制实现。以氧化石墨烯为核材料,通过有效控制无定型Ti02纳米粒子的沉积密度,得到超分散的无定型Ti02纳米晶/氧化石墨烯复合材料。通过简单的热处理,便可同时晶化TiO2纳米粒子和还原氧化石墨烯。所得TiO2nanocrystals/RGO复合材料具有超分散的二氧化钛纳米晶(尺寸约为5nm)、单分散的石墨烯片层和高的比表面积(229 m2/g)。这类材料作为锂离子电池电极材料的性能也得到了初步的研究,该材料显示出优异的性能,虽然二氧化钛活性组分只有52 wt%,在~59 C下,依然具有94 mAhg-1 的比容量,是简单机械混合材料的2倍以上(41mAhg-1)。论文的第六章合成了一类具有良好荧光性能的碳纳米球。我们以纯水为溶剂,通过在200℃下水热处理天然蚕丝就可以得到均匀的碳纳米球,不需要任何酸、碱以及盐等添加剂,合成过程非常简单绿色。所得碳球具有比较均一的尺寸(约为70 nm)、高的氮含量(~12.3%)、高的量子产率(~38%)以及较低的细胞毒性。我们还详细地研究了它的形成过程和荧光性质,提出了一种“从上至下”和“从下至上”协同作用的形成机制。这类碳纳米球可作为荧光探针对Hg2+和Fe3+离子进行选择性检测。此外,它们还可以应用于细胞和组织成像,且在组织深度为60-120μm时,依然显示出非常强的荧光。论文的第七章利用核壳纳米材料的结构优势制备出高性能的介孔碳纤维材料。我们以乙二醇为碳源,醋酸锌为骨架构筑剂,通过简单的溶液法合成了一维有机金属前躯体,经过高温焙烧,得到C@ZnO核壳结构纳米纤维,ZnO纳米颗粒外壳的形成是合成高质量碳纤维的关键,因为它有利于有机物的限制碳化形成碳材料,用盐酸除去ZnO纳米颗粒,便可得到高质量的多孔碳纤维。该材料具有高比表面积(1725 m2/g),大孔径(3.4 nm),以及三维连通的孔道结构和丰富的表面氧功能基团(~9wt%)。这类碳纤维可用作超级电容器的电极材料。在电流密度为0.5A/g下,在6 M KOH水溶液中,其比电容为280 F/g,在有机电解质中,其比电容高达~168 F/g。