纳米材料由于比表面积大及尺寸小等特点,使其在量子效应、提价效应、量子尺寸效应及介电限域效应具有特殊性,在能量转化与存储方面有重要应用。设计和合成结构多样及性能优异的新型纳米材料是当今材料科学发展的主要趋势,是扩大材料在能源及环境应用领域的重要发展方向。异质结纳米复合材料综合单一纳米材料的优点,并会产生许多单一纳米材料无法具有的特异性能,在能源转化与存储、传感、催化、生物及医学领域拥有广阔的应用前景。近年来,对于能源技术的研究日益重视,研制具有高能量密度、高功率密度及价格低廉的电能存储装置,是人们目前研究的一个热点。目前,研究者们对纳米材料进行复合及修饰等一系列功能化处理并拓展在各方面的应用价值取得了很好的成就。但是在研究与应用过程中,如何设计和合成结构新颖及性能优异的纳米材料,仍然面临很大的挑战。本文在充分考察目前纳米材料的发展趋势及在能量转化与存储方面的发展方向,根据在实际应用中的需求,开展了以下方面的研究工作：(1)基于高存储容量的二氧化锡纳米材料,设计合成新型的纳米结构,并探索了他们作为锂离子电池负极材料的优越性；(2)充分利用介孔二氧化钛薄膜材料的特殊性能,尝试对介孔材料进行修饰,并考察了此类材料在锂离子电池方面的应用；(3)运用一维二氧化钛纳米线的优异光电性能和介孔碳的储能性能,尝试两者的结合制备成新型纳米材料,并提出了新的器件设计概念。论文的第二章,我们用一种简单的一步水热合成法,以氯化亚锡和氢氧化钠为原料,制备得到了由2-D纳米片结构的二氧化锡自发聚集而成的花状3-D结构的无机纳米材料,并作为锂离子电池的负极材料应用于电池中。该纳米氧化物的合成是以去离子水为溶剂,二氯化亚锡作为锡源,氢氧化钠为络合剂,在反应釜中加热反应而得到。二氧化锡纳米片花状结构形貌可控,不仅具有2-D纳米材料的结构特性,更表现出一些二级结构所特有的性质。这种花状结构二氧化锡纳米片材料可作为锂离子电池的负极材料,并且表现出更高的锂离子电池存储可逆容量及更好的循环稳定性。我们研究了这种花状二氧化锡纳米片结构,其具有更多的孔道性质,而且每个纳米片之间在一定程度上相互接连,使得电池的电极与电解液之间的接触面积增大,离子和电子的传输路径变得更短,从而表现出更高的锂离子存储容量。自发聚集而成的花状结构,有效的缓解了材料在锂离子嵌入和脱出过程中产生的体积膨胀问题,从而使得花状结构二氧化锡纳米片材料作为锂离子电池负极材料表现出更好的稳定性。本实验还证明通过改变和修饰材料的结构可以提高材料的电化学性质。论文的第三章,我们用两步水热的方法制备得到了一种新颖的枝状二氧化锡-三氧化二铁异质结纳米复合物。制备过程分为两步：首先,用水热法制备得到二氧化锡纳米片；第二步,同样用水热法在单晶二氧化锡纳米片上二次生三氧化二铁纳米棒。我们还研究了时间及反应物浓度对材料形貌的影响。形成的枝状异质结纳米复合物,不仅保留了各个组分自身的优点,而且由于各组分间的协同作用,可以产生单一材料所不具备的新性能,为材料的设计提供了一定的新思路。本实验设计中,用导电性较好的二氧化锡作为导电主体,容量较高的三氧化二铁作为枝状材料,提高电池容量。该结构的材料在实际应用中表现出极大的优势,如比表面积增大。而异质结结构,一定程度上缓解了二氧化锡电极材料在锂离子电池充放电过程中出现的体积膨胀问题。该材料应用于锂离子电池的负极时表现出很高的容量,并表现出很好的循环稳定性及倍率特性。在400 mA g-1电流密度测试下,氧化锡-氧化铁纳米异质结作为锂离子电池负极的初始容量高1632 mAhg-1,经过50圈循环后,循环性能保持很好,其容量仍可保持在325mA h g-1,比纯Sn02纳米片及α-Fe2O3纳米棒样品在相同测试条件下的容量高很多。论文的第四章,我们运用基于配体辅助溶剂挥发诱导自组装以及两步焙烧的方法,以乙酰丙酮为钛源,P123为模板剂,制备了直接生长于钛箔基底上的多层、连续、高度有序的介孔孔道结构及高结晶度的介孔二氧化钛薄膜材料。在此基础上,通过原位掺杂的方法,在介孔氧化钛的骨架中引入了过渡金属锡离子,即基于配体辅助溶剂挥发诱导自组装(EISA),通过乙酰丙酮配体稳定的锡离子与乙酰丙酮钛、模板剂P123共组装,得到锡掺杂的介孔二氧化钛薄膜材料。考察了掺杂量对介孔结构的影响,掺杂量增加时,介孔结构遭到破坏。直接生长于钛箔基底上的介孔二氧化钛及不同锡掺杂量的介孔二氧化钛薄膜可直接用于锂离子电池负极材料,研究了电极材料的储锂容量,并讨论了锡掺杂量对材料循环性能及容量的影响。对于介孔材料,其孔壁薄,锂离子扩散路径短,孔道结构有利于活性电极材料与电解质溶液界面间的电荷转移,还可以缓冲充放电过程中产生的体积膨胀。实验表明,合适的离子掺杂量,可以提高电极材料的电化学性能。论文的第五章是在第四章研究的基础上,进一步拓展了过渡金属铁离子掺杂介孔二氧化钛在锂离子电池方面的应用。我们采用基于配体辅助溶剂挥发诱导自组装的方法,通过乙酰丙酮(AcAc)稳定的过渡金属铁离子(Fe2+)与乙酰丙酮钛(Ti (AcAc))、三嵌段共聚物P123共组装,得到直接生长于钛箔基底上的掺杂过渡铁金属离子的介孔氧化钛薄膜。直接生长于基底上的过渡金属离子掺杂的介孔氧化钛薄膜可作为电极器件,用作锂离子电池的负极材料。实验表明,合适的过渡金属离子掺杂量可以有效提高介孔氧化钛薄膜作为锂离子电池负极材料的电化学性能。论文的第六章,我们用水热法制备得到直接生长于导电基底FTO导电玻璃上的Ti02纳米线阵列,并在此基础上用溶剂挥发诱导自组装的方法进行介孔碳的复合,形成Ti02纳米线-介孔碳复合结构,并提出了一个新的器件设计概念。在本实验中,我们以TBOT为钛源,用水热法合成得到直接生长于FTO导电玻璃基底上一层均匀的Ti02纳米线阵列。一维Ti02纳米线材料具有很好的光电性能,光辐射在Ti02纳米线半导体上,当辐射的能量大于或者相当于半导体的禁带宽度时,Ti02内电子受激发从价带跃迁到导带,空穴留在价带,使电子和空穴发生分离,这在光电领域具有很大的应用。在Ti02纳米线基础上,进行介孔碳的复合。基于溶剂挥发诱导有机-有机自组装的方法,以甲阶酚醛树脂预聚体(resol)为碳源,F127为模板剂,采用旋涂技术,合成得到Ti02纳米线-介孔碳复合膜。利用Ti02纳米线的光电性质及介孔碳的双电层电容性质,我们设计提出了一种新型的太阳光自充电电容器储能器件。研究了Ti02-介孔碳的结构性质,并测定了在自充电电容器的存储容量。论文的第七章对全文进行了总结。