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有序结构化功能电极材料融合了高反应表面积、电子和离子传导能力的特征,为进一步增强电化学存储和转换材料的界面活性赋予了前景和希望。然而,由于结构和组分可调性的限制,电化学高活性的过渡金属基化合物的结构化体系的构筑仍然存在挑战。层状双金属氢氧化物(LDHs)特有的多样性及可塑性的特点为发展新型可控的结构化复合材料带来了更多的可能。本论文利用LDHs基层状材料为主要构筑基元和活性中心,以优化组分分散度和电子/离子传导能力等关键科学问题为导向,通过原位生长和组装手段构筑了一系列杂化空间取向可控及形态尺寸可调的结构化复合体系。在不同微观尺度上丰富了LDHs基材料的有序结构化设计思路和方法。最终获得了结构新颖的功能复合电极,其表现出优异的电化学能量存储(超级电容器)和转换(电催化)性能。在建立系列LDHs基结构化构型的基础上,结合理论计算,对LDHs主体层板和限域层间的内在物性与电化学行为的调控机制进行分析归纳,同时揭示了高效电化学能量存储与转换材料的设计-结构-性能三者之间的关系。具体研究工作内容如下：1.原位生长多级结构LDHs及电化学性能研究发展了一种普适性较强的LDHs原位生长的水热合成方法。先后实现了在导电玻璃及微纳尺度的碳材料表面垂直生长的LDHs,进一步得到了贵金属/LDH、金属氧化物/LDH、过渡金属LDH/碳纤维(CFs)和过渡金属LDH/碳纳米管(CNTs)几类多级结构纳米复合材料。首先,利用原位生长方法在导电玻璃表面构筑了CoAl-LDH纳米墙,使得Pd纳米粒子(PdNPs)分散该多级结构表面,精细的三维多孔网络及PdNPs的高暴露度使该结构表现出优异的乙醇电催化性能,显著优于商业化的Pd/C催化剂。将原位生长方法的适用范围进行拓展,应用于微纳尺度的碳材料表面。CoAl-LDH纳米墙结构成功地构筑于柔性的CFs表面,并将其作为原位还原剂及多孔骨架,使赝电容活性的MnO2纳米结构得到良好的固载与分散。多级结构化构型保证了体系电子和离子的传导能力及组分间的协同作用,从而使得MnO2/LDH/CFs结构表现出显著提高的电容行为(1 A/g的电流密度下,电容量为944 F/g)。进一步实现了LDHs对电活性组分的调控,以LDHs为过渡金属的均相基体,考查了其主体层板的对电化学活性整合的作用。结合导电性优异的碳材料构建了CoMn-LDH/CFs和NiMn-LDH/CNTs核壳式结构。独特的多级化构型及LDH均相的化学环境使电极拥有优异的超电容性能(CoMn-LDH/CFs:2.1 A/g的电流密度下的比电容量为1079 F/g;NiMn-LDH/CNTs:1.5 A/g的电流密度下的比电容量为2960 F/g)。通过理论计算和对比实验揭示了过渡金属在层板中有序分散和排布促进了电荷传递及随之带来的活性协同效果。基于LDHs多级复合材料的结构化特点,进一步组装构筑了高性能的全固态柔性储能器件,开发了其实际应用。2.组装有序结构LDHs及电化学性能研究旨在强化结构化复合体系的微观尺寸效应,利用组装手段设计了多层次有序的杂化结构以提升材料的界面均匀度及协同效果。同时聚焦其相应的尺寸精细特征和电子／离子传导性能的相互关系。首先,以原子级厚的LDHs二维层板作为主体构筑基元,结合异质液相组装方法制备了CoNi-LDH/导电聚合物(PEDOT:PSS)分子级别的杂化体系,并应用于全固态柔性薄膜超级电容器器件的制备。LDH层板与PEDOT:PSS紧密均匀的界面结合方式对电荷存储性能起到了关键的影响：CoNi-LDH层板为导电聚合物的掺杂水平和空间构型的优化提供了限域的化学环境,同时为体系提供氧化还原活性；而层间的PEDOT:PSS层主要确保了有效的电荷传输及电极的整体性。该分子级有序构型显著提升了薄膜电极的电荷存储综合性能：在拥有高电容量的同时,表现出优异的大电流充放电能力(电流密度30 A/g下,电容损失<17%)。进一步拓展了LDHs主体层板的尺寸效应,并考查其对于高活性贵金属纳米粒子电学性能的影响。实现了LDH/金纳米粒子(AuNPs)的有序薄膜的可控层层(LBL)组装,AuNPs以单层的排列方式高分散于LDH层间。由于长程有序的结构使得相邻层间AuNPs发生有了有效的等离子体共振耦合现象,加速了电子在有序薄膜中传递效果。LDHs限域稳定层间保持并增强了AuNPs的活性,使修饰电极表现出了良好的葡萄糖电化学催化氧化性能。