社会经济的发展以及人口急剧的增长导致了能源短缺及生态环境的恶化。为了解决人类面临的能源短缺问题,发展可再生能源技术成为21世纪必须解决的关键技术之一。研究者们从两个方面着手,首先开发各种新型能源,比如风能,太阳能,潮汐能等来自自然界的源源不绝的能量,同时,也在努力开发各种储能器件,希望将这些能量高效地储存。常用的储能器件包括已经广泛使用的锂离子电池,铅酸电池,还有目前的研究热点超级电容器,钠离子电池,铝离子电池等。其中,超级电容器因为其具有超高的功率密度(充电过程可以在几秒内完成)而备受关注,但是其能量密度相对于锂离子电池来说并不够理想,这严重限制了超级电容器的商业应用。如何在维持超高的功率密度下提升超级电容器的能量密度是研究者们必须解决的问题,而解决这一问题的关键在于超级电容器的电极材料的优化。同时,生态环境的恶化也是人们必须正视和解决的问题,由于人们对生活品质的追求,染料的应用越来越广泛,比如纺织业,印刷业等,大量的有机染料的使用造成了水污染的日益严重。因此选择合适的治理印染废水的方法显得尤为重要。催化降解由于能够实现有机污染物的快速去除而被广泛研究,而催化的效果往往受限于催化剂的选择以及催化剂的合成工艺,因此我们必须寻求简单的合成工艺并能合成具有高催化活性的催化剂材料以解决水污染的问题。本论文围绕以上两个当前最亟待解决的问题：能源短缺和环境污染,以二氧化锰这种廉价,稳定,环境友好的过渡金属氧化物分别作为超级电容器电极材料进行能量储存和用作催化剂降解染料废水以解决水污染的问题。为了使二氧化锰在这些应用中能有最佳的性能,我们利用金属掺杂的方法对二氧化锰的结构和形貌进行了修饰,通过结构修饰,解决了二氧化锰作为超级电容器电极材料导电性差的问题,通过形貌修饰,获得了超高比表面积的二氧化锰微球,增加了二氧化锰的活性位点,进而增强了二氧化锰的催化氧化性能,使其能高效的降解染料废水中的多种成分。具体实验方案如下：(1)二氧化锰是一种常用的超级电容器的电极材料,然而,由于是半导体材料,其电子导电性较差(10-6～10-5S/cm),因此很难达到其理论比电容(1370 F/g)。金属离子掺杂被认为是改善半导体导电性的行之有效的方法之一,但是人们对于掺杂对导电性的影响机制并不明朗,因此我们用a相二氧化锰作为目标半导体,采用第一性原理,利用密度泛函理论,建立了不同金属离子掺杂α相二氧化锰的理论模型,其可能的掺杂路径包括取代式掺杂和嵌入式掺杂,我们分别探讨了不同的金属离子在不同的掺杂模式下的差分电荷分布,同时,依据掺杂后的二氧化锰的态密度变化,根据费米能级的偏移情况分析掺杂对二氧化锰导电性能的影响。(2)根据上一章的第一性原理计算,在理论上认识了不同金属离子掺杂对二氧化锰导电性的作用机制,并得出掺杂可以有效改善二氧化锰导电性的结论。在以上理论计算的基础上,采用熔盐法大面积合成了高质量的一维α相二氧化锰纳米线,同时,通过在合成过程中引入不同的金属盐实现了不同金属离子掺杂的一维α相二氧化锰纳米线。通过结构表征(XRD, XPS等)证实了部分金属离子可以进入a相二氧化锰的(2×2)孔道中,实现嵌入式掺杂。采用四探针法测试了纯的二氧化锰纳米线以及不同金属离子掺杂的二氧化锰纳米线的电导率,在实验上证实了金属离子掺杂可以有效提高二氧化锰导电性。将制备的二氧化锰纳米线制成超级电容器电极,进行电化学性能的测试,结果表明得益于电导性能的提高,掺杂后的二氧化锰纳米线比纯的二氧化锰纳米线有更高的比电容和更优异的循环稳定性,而且值得一提的是这些优异的电化学性能均是在高载量下实现的。(3)二氧化锰由于具有许多优异的特性,不仅可以作为超级电容器的电极材料,还被用于催化氧化有机污染物。但它的催化性能除了受限于其表面特性以外,还与其比表面积息息相关。而高比表面积二氧化锰的制备一直是难点,我们采用简单的水热反应,合成了一维二氧化锰纳米线；当向反应体系中引入一定量的镍离子时,其形貌发生了明显的改变,成为三维介孔结构,大大增大其比表面积。选用酸性橙和甲基蓝作为目标污染物来考察三维介孔二氧化锰的催化活性。得益于大的比表面积和丰富的表面氧含量,三维介孔二氧化锰在废水处理中展现出优异的催化性能。(4)纳米材料用于印染废水的催化氧化通常存在着难以回收的问题,增加了实际应用的难度。我们将纤维素与二氧化锰颗粒混合制备成膜用于印染废水的降解。该复合膜具有很好的机械强度,可任意弯折。采用XRD, FT-IR, XPS等表征了该复合膜的组成和结构特性,用SEM等表征了其微观形貌,将该复合膜用于催化氧化染料实验,得到了比较理想的催化效果。重要的是,该复合膜的回收非常的便捷,为实现商业应用奠定了基础。