与日俱增的化石燃料消耗引发了严峻的能源危机和环境问题,人类亟需开发能源高效清洁利用的新技术。近年来,以电致变色智能窗和超级电容器为代表的新型电化学节能、储能技术成为实现能源高效清洁利用的必然选择。过渡金属氧化物作为其中光学调制和电荷存储的重要载体,对其进行综合优化是当前推进电化学节能、储能技术实用化进程的核心所在。本文围绕过渡金属氧化物在电化学能源环境器件中的应用,综合探索TiO₂一维核壳纳米阵列和MnO₂三维纳米结构的可控制备和结构优化,系统研究材料微观结构、纳米形貌对其电致变色光调制和电化学能量存储性能的影响规律,实现高性能过渡金属氧化物在电化学节能、储能器件中的高效利用。本文首先采用低温化学法实现了一系列TiO₂一维核壳纳米阵列的可控制备,通过控制外壳材料的组分、微观结构及其形貌,系统考察了电致变色光调制性能的影响因素。研究结果表明,尽管TiO₂单晶纳米棒阵列在KCl电解质中几乎没有电化学活性,但可作为“惰性模板”构筑TiO₂-普鲁士蓝核壳纳米棒阵列,大幅增加普鲁士蓝与电解液的接触面积,从而综合提升普鲁士蓝的电致变色光调制能力。TiO₂单晶纳米棒阵列在LiClO₄/PC电解液中具有微弱的电致变色光调制效应,通过在其表面逐层沉积具有丰富Li⁺离子存储空间的无定型TiO₂,并对无定型外壳厚度进行合理优化,可将光调制幅度提高近139%。进一步通过水热晶化将无定型TiO₂外壳原位转变为超细纳米晶（5-7 nm）,TiO₂纳米晶为Li⁺离子脱嵌提供了大量活性表面,可显著缩短Li⁺离子扩散距离,在保证理想光调制幅度的前提下进一步提高了光调制响应速度。针对MnO₂三维纳米结构在平面构型超级电容器中的应用问题,本文提出了一种印章辅助印刷策略,首先以高效、低成本的溶液电化学法实现Ni叉指电极的图形设计,然后以织构化或纳米管形貌的Ni电极作为集流体成功获得Ni/MnO₂三维纳米电极,着重研究电极形貌对电化学能量存储性能的影响。研究结果表明,织构化Ni电极可诱导MnO₂形成三维多孔结构,为赝电容反应提供丰富的传质通道和活性表面,从而将平面超级电容器的比容量提高了近40%,达到4.15 mF cm^-2。进一步研究发现,引入Ni纳米管集流体可大幅度提高电子收集效率,显著降低Ni/MnO₂电极内部阻抗;并且,Ni/MnO₂三维纳米管为电解质离子提供了多重扩散通道,同时扩大了MnO₂的赝电容活性表面,从而使平面超级电容器的比容量再次提高近1.4倍,达到10.75 mF cm^-2。