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以环境友好且来源丰富的氢或活泼金属(如Li、Mg、Al、Zn等)为负极活性物质、氧为正极活性物质，组成氢氧燃料电池或金属空气电池进行电化学储能发电，是未来很有潜力的绿色能源利用方式。这两类电池的实用化目前面临两大挑战：氢气安全有效的在线制取和存储以及氧气高效的电化学还原。因此，研究开发廉价高效的储氢材料和氧还原催化剂成为能量储存与转化领域的热点。另一方面，传统的体相块体电极材料由于存在活性物质利用率不高和极化严重等问题，限制了其实际容量和能量密度。利用纳米材料的高反应活性、高比表面积以及独特的结构特点，可以有效地提高能量的储存和转换效率。因此，本论文围绕廉价Mn、Ni基功能纳/微米材料，开展了其制备表征与储能应用研究。主要内容和结果如下：
1.采用溶液化学法制备了多种具有不同组成、晶型与形貌的锰氧化物纳米和微米材料。通过选取不同的可溶性锰盐为反应物，以简单的水热处理制备出晶相纯度高的α-、β-、γ-MnO2纳米线。改变水热反应条件如浓度和时间获得了α-MnO2微纳米球、γ-MnO2纳米海胆以及由纳米棒组装而成的γ-MnO2微球。以Mn(CH3COO)2溶液为电解液、金属Ni片为基材，利用循环伏安、恒电位以及循环伏安与恒电位结合的电沉积法，分别制备了由纳米针、纳米棒和纳米片组成的γ-MnO2薄膜材料。以硝酸锰为前驱体，采用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)辅助的水热法合成了组成和形貌可控的锰氧化物纳/微米材料，在低、中、高浓度SDBS存在的条件下分别制得了MnO2纳米线、Mn2O3纳米线和MnOOH微米球。设计一系列辅助实验，对锰氧化物的可控生长机理从自由能、反应物活度、表面活性剂结构导向等方面进行了探讨。
2.研究了α-/β-/γ-MnO2一维纳米材料以及γ－MnO2块体材料和纳米薄膜作为Zn－MnO2和Li—MnO2电池正极活性物质的电化学性能。结果表明，对于形状和尺寸相似的MnO2纳米线，放电比容量大小顺序为γ-MnO2>α-MnO2>β—MnO2。对于同一晶型的γ-MnO2，纳米结构电极性能显著优于微米块体。α-/γ-MnO2纳米线作为锂电池正极材料表现出一定的循环可逆性，20个充放电周期后容量分别为158和112mAh/g。结合MnO2的结构特点以及反应原理，从离子扩散和传输的角度讨论了晶型和形貌对MnO2正极材料电化学性能的影响。采用恒流放电、循环伏安、交流阻抗等电化学方法测试了Ni基材上沉积的γ-MnO2纳米薄膜的电极性能，结果显示由纳米棒组成的MnO2薄膜具有高电化学活性表面积，在1.6C放电倍率下的比容量为269mAh/g，达到MnO2单电子还原理论容量的87.3％。
3.研究了具有不同组成、晶型、形貌的锰氧化物纳/微米材料对弱碱性介质中氧还原反应的电化学催化性能。较系统地考察了晶型和形貌对MnO2催化性能的影响。结果表明，排除材料形貌的影响后，得到的催化活性顺序为α-Mn02>β-MnO2>γ-MnO2。对于同一晶型的α-MnO2和γ-MnO2材料，纳米线、纳米海胆和微纳米球的氧还原电流明显高于微米块体。进一步利用旋转环盘电极技术结合线性扫描、循环伏安、计时电流、XPS等方法详细研究了具有低价态、高长径比和优势(222)暴露晶面的Mn2O3纳米线的催化活性和稳定性。结果显示Mn2O3纳米线与活性炭混合物(Mn2O3/C)具有较低的过电位和较高的还原电流，能有效催化氧还原中间产物HO2-快速分解或还原，使整个反应的表观电子转移数接近4。以Mn2O3/C为空气电极催化剂所组装的钮扣式铝/空气模拟电池平台工作电压和放电容量分别为1.21V和8.74mAh，性能与参照物。Pt/C催化剂所组装的模拟电池数量级相当。
4.基于溶液反应制备了Ni1-xPtx、MoS2@Ni、MnO2@Ni三种镍基功能纳米复合材料，分别测试了它们对硼氢化物分解制氢、含硫有机物加氢脱硫以及氧气电化学还原的催化性能。首先以单分散聚苯乙烯微球为模板，通过模板-置换法制备出Ni1-xPtx(x=0，0.03，0.06，0.09，0.12)纳米空心球。组成为Ni0.88Pt0.12的纳米空心球能有效地催化氨硼烷(NH3BH3)水解和热分解制氢。通过考察溶液浓度和反应温度的影响，发现水解体系表现出准零级反应动力学特征，室温产氢速率达到1430mL/min/g，产氢量接近理论值(相当于反应物总重的8.9wt％)，表观活化能值为30kJ/mol。此外，分别以MoS2纳米管和MnO2纳米线为基材，在表面均匀沉积Ni纳米颗粒，制备出MoS2@Ni和MnO2@Ni纳米复合材料。以噻吩为探针分子研究了MoS2@Ni复合材料对加氢脱硫反应的催化性能，结果表明，Ni含量为50.2wt％的复合样品性能最佳，325℃时反应物消耗率超过90％。初步的电化学测试显示MnO2@Ni复合纳米材料由于比表面积和电导率显著增加，能提高MnO2催化氧还原反应的起始电位、电流密度以及电子转移数。