随着工业的迅速发展、人口的增长和人民生活水平的提高，能源短缺、环境污染等已成为全球性问题，寻找可代替化石资源以及追求可持续发展、保护环境和循环经济，成为许多国家的重要发展战略。目前，受原油短缺和环境问题的影响，利用废弃的生物质生产生物质燃料和多功能的无机纳米材料的研究，呈现出持续增长的趋势。由于生物质材料具有资源丰富、来源广泛、可再生以及生物降解等优点，已被广泛应用在合成塑料、纤维、功能材料、复合材料等领域中。实现从生物质转化为生物燃料和多功能碳材料可以采用热和生物转化过程，而水热处理和高温热解是热转化的两个主要的方法。在生物质应用研究领域，生物燃料的液体产物和合成气体受到很大青睐，然而热解过程中产生的副产品没有得到合理的利用，造成生物质材料的利用不完全。到目前为止，由天然生物质制备多功能的纳米碳材料，主要是通过水热处理（大约200℃）制备胶体炭球。但是，水热碳化的产率和大规模生产可行性低的问题，限制了生物质胶体炭材料的发展。稻壳和玉米芯是常见的两种生物质，它们都含有大量的纤维素、半纤维素和木质素。将生物质中的碳元素直接转化成功能化的碳材料，已经引起科研人员的很大重视。基于以上研究背景，本论文从以下几个方面进行系统的研究：（一）首先以五碳糖（木糖）、六碳糖（葡萄糖、果糖）为原料，硫酸为催化剂，在低温条件下制备胶体炭材料，研究反应温度、硫酸浓度、反应时间对胶体炭材料产率和结构的影响，并且得出最佳实验条件。此外，通过红外光谱、拉曼光谱及元素分析等手段表征胶体炭的化学特征，在分析系列表征结果的基础上，探讨五碳糖和六碳糖脱水缩合成胶体炭的不同机理。（二）在上述实验基础上，引入酚类化合物为碳化反应的共聚体，研究不同酚类化合物中羟基数目对水热碳化制备胶体炭产率的影响，进一步通过胶体炭的系列表征，推测酚类共聚体与糖分子发生缩聚碳化的机理。并且通过X射线衍射和透射电镜测试，观察酚类共聚体在参与碳化反应的过程中形成的纳米级碳结构，以及这些纳米级碳结构组成胶体炭的方式。（三）以天然的稻壳和玉米芯为原料，在浓硫酸催化下，将其所含有的纤维素、半纤维素等有机大分子水解形成高浓度的糖酸液，引入酚类共聚体，在低温水热条件下形成高产率的胶体炭材料，并通过透射电镜照片，观察引入酚类共聚体对生物质基胶体炭材料形貌造成的影响。然后，采用磷酸为活化剂，经500℃活化，制备出孔径发达的活性炭，将此活性炭做碳电极材料，通过恒电流充放电和循环伏安法研究其电化学性质。本论文通过系统的实验和详细的物理化学表征手段，研究单糖分子在酸催化下形成胶体炭的机理，引入酚类共聚体，大大提高了胶体炭材料的产率以及生物质中碳元素的转化率。以常见的两种农业废弃物稻壳和玉米芯为原料，制备出高产率的生物质基胶体炭和高性能的活性炭，充分利用了稻壳和玉米芯中的碳资源，工业化生产后，解决了天然生物质的浪费问题和环境问题，还可以创造更大的经济价值。