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电极材料是能源转换与存储设备的核心部分之一,新颖结构碳基纳米材料的研发是当前能源材料领域的研究前沿。结合当前燃料电池和金属-空气电池氧催化材料、锂离子电池储锂材料的研究现状、动态以及存在问题,本论文以新型介观结构碳材料——3D分级结构碳基纳米笼为出发点,围绕介观结构电极材料的可控构建及电化学性能开展研究工作。全文的主要研究内容和结果如下:1.异质结构三氧化二铁/四氧化三铁/氮掺杂碳纳米笼作为高性能氧还原电催化剂。利用课题组发展的新型3D分级结构碳基纳米笼的高比表面积、微孔-介孔-大孔共存、良好导电性和电子态易于掺杂调变等特点,采用部分碳热还原方法,制备出异质结构三氧化二铁/四氧化三铁/氮掺杂碳纳米笼催化剂,在碱性介质中,表现出优异的氧还原活性(起始电位和半波电位达1.030和0.838 V vs.RHE)、持久稳定性(40 h加速测试,半波电位仅负移5 mV)和抗甲醇干扰性能,可超越Pt/C,也显著地优于三氧化二铁/四氧化三铁/碳纳米笼。如此优异的电化学性能主要归因于异质结构的三氧化二铁/四氧化三铁纳米晶的组成、氮参与对异质结构纳米晶电子态的调变。这种基于单一金属多价态调变纳米异质界面的策略为设计和构建廉价高效的电催化剂提供指导。2.尖晶石型铁酸钴/氮掺杂碳纳米笼可控制备及其铝-空气一次电池性能研究。基于’1+1>2’策略,将铁酸钴纳米颗粒高度均匀地锚定在3D分级结构氮掺杂碳纳米笼之上,构建出高活性的铁酸钴/氮掺杂碳纳米笼催化剂,其电催化氧还原的起始电位和半波电位分别为0.966和0.819 V vs.RHE,媲美Pt/C,且展现出优异的稳定性和抗甲醇干扰能力,处于铁基尖晶石催化剂氧还原性能的前列。以此构建的铝-空气一次电池表现出较高的开路电压(1.55V vs.Al丨)、放电比容量(347mAh g-1)和峰功率密度(51 mW cm-2)。值得注意的是,利用X射线光电子能谱中O 1s对尖晶石氧化物纳米颗粒尺寸和化学环境的高度敏感性作为指针,能很好地理解铁酸钴相关催化剂氧还原活性的演变规律。催化剂构-效关系分析表明:氮参与引起的从铁酸钴到氮掺杂碳纳米笼更多电子转移和更强的金属载体相互作用是其电化学性能优异的主因。3.多活性位数目和类型的三维分级结构硫和氮共掺杂碳纳米笼制各及其锌-空气电池性能研究。以噻吩和吡啶的混合液为前驱体制备出具有高活性位点密度的3D分级结构硫和氮共掺杂碳纳米笼。作为双功能氧还原和氧析出电极催化剂,在碱性介质中,其双功能氧催化电势差ΔE仅为0.858 V(ΔE值越小,双功能催化活性越高),优于Ir02和Pt/C(0.909和0.959 V vs.RHE),处于报道的碳基无金属双功能催化剂催化性能的前列。作为扣式锌-空气一次和开放式可充放电锌-空气二次电池的空气阴极催化剂,表现出比拟Pt/C的开路电压(1.48 V vs.Zn)、放电比容量(695 mAh gzn-1)和功率密度(56 mW cm-2);在5 mA cm-2的电流密度下,200次充放电循环后,充放电电势差ΔE’为0.84 V,远小于Pt/C和Ir02的1.07 V,表现出优异的倍率性能和循环稳定性。其优异的双功能氧电极催化性能主要归因于均一分布的硫和氮杂原子活性位点共同作用、3D分级多孔结构有利于参与反应物质的传输、优良的导电性有利于电子转移。4.新颖限域型结构二氧化锡@氮掺杂碳纳米笼作为高性能的储锂电极材料。利用氮掺杂碳纳米笼的相互连接的笼状空腔结构,采用真空-填充方法,构建出新颖限域型二氧化锡@氮掺杂碳纳米笼储锂材料,展现出高比容量和好倍率性能以及长循环稳定性,处于文献报道中性能水平的前列,如在0.1、1.0和5.0 A g-1电流密度下分别循环110、600和1000圈后,其可逆比容量仍高达913、808和477 mAh g-1,高于负载型二氧化锡/氮掺杂碳纳米笼对应的728、398和273 mAh g-1。相互连接纳米笼空腔限域和缓冲双重作用是其储锂性能优异的根本原因,即独特的纳米笼空腔的限域型结构不仅提高了活性组分的导电性和离子扩散速率,而且能够有效地缓解因其体积变化大带来的问题,还能减少活性组分与电解液接触和流失。