石油和天然气等传统化石能源,由于其不可再生性、低的能源转化效率以及在使用过程中对环境造成的污染等,激励科学家们寻求可取代传统化石能源的高效绿色能源,能量转化与储存技术也在此背景下应运而生,以燃料电池技术、超级电容器技术和锂离子电池技术为代表。能量转化和能量储存是对能源有效利用的两个方面,最近提出的一种‘自充电能量单元’概念更是实现了两者的完美结合。但是,无论是能量转化技术还是能量储存技术中,电极材料的选取和制备都是至关重要的。基于此,在本文中,我们使用简单的合成方法制备了多种纳米结构材料,并对它们进行了结构和相应的电化学性能表征,为制作可能的能量转化与储存一体化器件作准备。本文具体研究的内容和结论如下：1.使用外加磁场和简单的N2H4还原法,制备了大量的锯齿形状Ni基亚微米线,其直径大约为500-700nm,长度为10-30μm。缓慢供应作为Ni(Co)源的Ni2+离子是形成锯齿形结构的一个控制因素。电化学测试的结果表明,制备的锯齿形Ni基亚微米线与Ni纳米颗粒和光滑的Ni亚微米线相比,对甲醇的催化氧化有更好的活性和稳定性,这是由于这种独特的锯齿形结构兼备亚微米线的几何线型结构和纳米颗粒尺寸效应。此外,由于Ni和Co元素的协同作用,NiCo亚微米线的电子传输性能得到极大改善,表现出比Ni亚微米线更优异的电化学活性。因此,由于制备简单、成本低和产量高等优点,这类锯齿形亚微米线将会是一种很有前途的应用于碱性燃料电池的非贵金属阳极催化剂。2.以AgNO3为Ag源,在乙二醇体系中合成Ag纳米线；然后在氨-乙醇水热体系下,Ag纳米线有效地嵌入到氮掺杂石墨烯纳米片层中,从而得到氮掺杂石墨烯/Ag纳米线复合材料。复合材料中大量嵌入的Ag纳米线阻止了氮掺杂石墨烯片的重新堆叠,且形成三维的多孔通道,从而使得催化剂参加氧气催化还原的活性面积大幅增加,同时也促进了02气和OH-离子的传输。由于氮掺杂石墨烯与Ag纳米线之间的这种协同效应,氮掺杂石墨烯/Ag纳米线复合材料表现出比单纯的氮掺杂石墨烯和Ag纳米线更好的电催化性能,它们有望用作高效的碱性燃料电池的阴极催化剂。3.使用水热反应合成α-MnO2纳米线,未经任何的表面改性,在Co(NO3)2和NH4F前驱溶液中,二步水热反应合成了一种新的α-MnO2内米线/C0304纳米颗粒复合结构。NH4F和反应前驱液的浓度是合成这种复合结构的关键因素。高浓度前驱体溶液中合成的复合结构是一种bead on string结构,大的C0304纳米颗粒(约120nm)分布在α-MnO2纳米管上。而在低浓度前驱液中α-MnO2纳米管表面完全覆盖着一层超细的C0304纳米颗粒(约10-20nm),形成一层纳米薄层,这提高了电荷的传输性质,阻碍了含Mn物种的溶解,并兼顾了离子传输至α-MnO2纳米管,无论是α-MnO2纳米管还是超细的Co304纳米粒子对电荷存储都表现出增强的电化学活性,其比容量和倍率性能表现出比α-MnO2纳米管和物理混合的α-MnO2纳米管和Co304纳米颗粒更好,此外,即使在2000次循环充放电后,仍保持87.5%的初始比电容值。这种精心设计的复合结构具有优异的能量存储特性,这也提供给了一种在不使用碳基或聚合物基的导电材料,实现构建高性能的超级电容器的可能途径。4.以泡沫镍为基底,我们首次制备一种独特的三维分枝状单晶β-Co(OH)2纳米线阵列。这种结构的形成归因于在生长过程中β-Co(OH)2特定的拓扑结构和crystal splitting效应。接着,以分枝状β-Co(OH)2纳米线阵列为骨架,在纳米线外包覆Mn02超薄纳米片片层,在4500C加热后,构建了分枝状Co3O4/MnO2核壳纳米线阵列。在10mA/cm2电流密度下,分枝状Co3O4/MnO2核壳纳米线阵列具有0.99F/cm2的面积电容,并且仍然保留了69.3%在1mA/cm2下的电容值(1.43F/cm2)。如此出色的电化学性能归因于这种独特的核壳结构,即多孔Co304纳米线‘核’和超薄Mn02纳米片‘壳’形成的强力协同效应。这个特殊的分枝状β-Co(OH)2在超级电容器和其它电化学设备上具有很好的应用前景。5.以二步阳极氧化的氧化铝为模板,四硫代钼酸铵为前驱体,经简单的热分解反应获得一种分枝状MoS2纳米管,且该纳米管具有特殊的竹节状结构。使用扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜对这种分枝状MoS2纳米管进行了研究,并讨论了纳米管的竹节状结构的可能形成机制。四硫代钼酸铵在模板孔中的形态决定形成的纳米管形貌,纳米管的孔径和长度取决于氧化铝模板的孔径和厚度,而管壁厚度取决于氧化铝模板纳米孔壁的四硫代铝酸铵的量。对比使用大纳米孔径氧化铝模板(>200nm)发现,纳米管竹节状的微观形貌受前驱液与孔内壁间润湿性