毫无疑问,新型能量储存和转化器件的开发是21世纪能源领域面临的最大挑战之一。由于对矿物燃料的需求不断增多,同时环境污染日益恶化,当前社会急需开发具有重量轻、效率高和环境友好的新型可再生能源。随着科技的进步,先进能量储存和转化器件领域已经得到突飞猛进的发展,主要包括太阳能电池、电催化分解水、超级电容器、燃料电池和锂离子电池等,已经得到了深入的研究。纳米金属硫化物由于其独特的理化性质,具有广阔的应用潜能,受到了研究者的广泛关注。金属硫化物储量丰富,来源广泛,通常以矿物质形式存在于自然界中,如硫镍矿（Ni₃S₂）、辉铜矿（Cu₂S）和黄铁矿（FeS₂）等。目前,针对金属硫化物的合成、性能和应用已经做了大量研究,但是金属硫化物的纳米结构制备和性能有待进一步提升,因此本文针对金属硫化物纳米结构材料进行设计优化,并考察其在能量储存和转化领域的应用。1.氨插层花状MoS₂纳米片薄膜的制备及其性能研究贵金属材料,如Pt、Ir和Au等,是目前效率最高的析氢反应催化材料,但是由于其价格昂贵,不能大范围应用。由于具有储量丰富、活性高和化学稳定性好等特点,MoS₂受到了越来越多的关注。MoS₂作为非贵金属析氢反应催化剂具有较高的电催化活性。目前,理论计算和实验结果已经证明二维MoS₂层状结构的催化反应活性位点来自于硫边缘。因此,目前的研究主要采用各种构建方法,致力于制备高裸露边缘结构和低内阻的析氢反应催化电极。此部分采用简单的水热法,以石墨为基底制备了花状结构氨插层MoS₂纳米片薄膜。通过XRD测试,发现水热过程中铵根离子能有效插入MoS₂层间,使（002）晶面间距增加3.4?,同时XPS和TEM结果表明,铵根离子的嵌入能诱导MoS₂由2H相向1T相的转变。该氨插层电催化电极材料展现了优异的电催化活性,电化学性能测试结果显示,与2H相和大尺寸MoS₂纳米片薄膜相比,花状结构1T相MoS₂具有更小的Tafel斜率和起始过电位。致密的氨插层垂直取向1T相MoS₂纳米片不仅能提高反应活性位点,而且能降低产氢反应过程中的迁移电阻。归功于高反应活性面积和高导电性,该电极材料表现了优异的电催化产氢性能。2.氨插层MoS₂纳米片修饰Ni₃S₂纳米纤维核壳结构及其性能研究对于电催化析氢反应,需要非贵金属催化剂来替代价格昂贵的Pt,电解水持续产生氢气。此部分进一步采用简单的一步法以三维石墨烯包覆泡沫镍为基底,制备了氨插层MoS₂纳米片修饰的Ni₃S₂纳米纤维核壳结构电催化电极材料。SEM和TEM结果显示,垂直取向的氨插层1T相MoS₂纳米片阵列均匀生长于Ni₃S₂纳米纤维表面。通过硫源含量的调节,观察到了纳米结构生成演化过程。一方面,高活性的1T相MoS₂纳米片结构能有效增加反应活性位点,并且在析氢反应过程中,形成超疏气表面,有利于氢气的脱附;另一方面,作为高导电性一维导电纳米纤维以及三维石墨烯包覆泡沫镍基底,不仅能加快电子的传输,而且能进一步提高单位面积反应活性位点数量。这些特性使Ni₃S₂@A-MoS₂复合结构在碱性溶液中表现出了优异的电催化产氢性能。与单纯Ni₃S₂纳米纤维相比,该复合电极材料在10 mA cm^-2电流密度下,起始过电位仅为80 mV,证明了该多级复合结构协同作用机理。进一步结合密度泛函理论计算结果显示,MoS₂（002）晶面层间氨的存在有利于1T相MoS₂的形成,同时有利于氢的吸附。该方法可以广泛应用于其他过渡金属硫化物电催化分解水催化电极材料的制备。3.多层结构碳包覆TiO₂@C@MoS₂非对称三明治空心球及其性能研究可充式锂离子电池目前应用广泛。最近,层状过渡金属硫化物由于具有储锂活性得到了深入研究。尤其是MoS₂作为典型的层状结构金属硫化物,片层结构有利于锂离子的快速脱嵌,同时能自组装于各种基底,其理论比容量能达到670 mA h g^-1,作为锂离子电池负极材料应用前景广阔。但是,MoS₂负极材料在不断脱嵌锂的过程中会造成结构的破坏,影响其倍率性能和循环寿命。此部分采用模板法制备了碳包覆TiO₂@C@MoS₂非对称三明治结构空心球。具有高稳定性的TiO₂作为空心核,在长时间充放电过程中保持稳定空心结构;石墨碳高导电性作为中间层,利于电子在结构内部的快速传导;高理论容量的MoS₂纳米片作为壳层,显著增加材料的比表面积,提高电解液和材料的有效反应速率;最后外部碳层的包覆,能抑制锂离子脱嵌造成的结构破坏粉化。归功于独特的纳米结构和组分的设计,该纳米空心球作为锂离子电池负极材料表现出了优异的比容量和循环稳定性,与MoS₂纳米颗粒和TiO₂纳米空心球相比,在100 mA g^-1电流密度下,碳包覆TiO₂@C@MoS₂空心球比容量能达到850 mAh g^-1,该结果表明三明治多层复合纳米结构能明显提升储锂性能。4.镍骨架氮掺杂三维石墨烯气溶胶及其性能研究石墨烯,作为一种理想的超级电容器电极材料,由于其高导电性、高化学稳定性、大比表面积和柔韧性,获得了越来越多的关注。石墨烯纳米片通过自组装形成三维交错交联多孔微结构,石墨烯气溶胶,是目前获得高比容量最有效的制备方法。三维石墨烯气溶胶材料的性能很大程度依赖于电极的形貌和微结构。采用两步化学还原法,以氧化石墨烯和乙二胺为前驱体,开发了镍骨架氮掺杂三维石墨烯气溶胶超结构。EDA的引入不仅能将氧化石墨烯官能化,在EDA中NH₂基团超亲水或静电相互作用下,会自组装弯曲形成纳米管,同时乙二胺作为还原剂和掺杂剂,形成高活性的氮掺杂石墨烯结构。依赖于氧化石墨烯和乙二胺浓度,通过乙二胺官能化氧化石墨烯的自组装和自弯曲,可以有效控制调节微孔和形貌。形成的多孔结构有利于溶液离子的传输形成双电层电容,同时镍骨架能缩短电子的传输路径,利于电子的快速传导。归功于协同作用机理,该超级电容器电极材料在1.5 A g^-1电流密度下,比容量达到262 F g^-1,及优异的循环稳定性。后续研究可以将该形貌及结构可控石墨烯气溶胶进一步与高活性金属硫化物复合,考察其在超级电容器领域的应用。5.ZnS/石墨烯复合材料的制备及其性能研究ZnS作为一种高效光解水催化材料,由于其带隙宽度为3.75 eV,所以只能吸收紫外部分太阳光,而紫外光仅占太阳光谱能量分布的4%,因此严重限制了其应用。目前,可以采用多种方法使ZnS在可见光范围具有光活性,如采用金属离子掺杂（如Au、Cu、Ni、Pd和Sr等）。但是过渡金属镉和铅等具有毒性,对人类和环境造成污染和破坏。在此我们采用两步水热法制备了一系列ZnS/石墨烯复合材料。对于空白ZnS纳米颗粒光催化分解水催化剂,在可见光辐照下,并没有观察到产氢活性,因为可见光并不能激发宽带隙半导体产生光生载流子。但是,在0.1%石墨烯含量下制备得到的ZnS/石墨烯复合材料在相同的可见光辐照条件下,光催化产氢量能达到7.42μmol h^-1g^-1。实验结果表明了石墨烯的光敏化作用机理,可见光首先激发电子从石墨烯的HOMO轨道跃迁到LUMO轨道,光激发光生载流子受到进一步激发跃迁至ZnS的导带,参与氢还原反应。石墨烯在ZnS/GR复合体系中,起到独特的光敏化作用,而不是传统的光电子传输和捕获载体。