经济社会的快速发展和人们对美好生活的向往使得能源短缺问题越来越突出。当今社会发展所使用的主流能源依然是石油、煤炭、天然气等化石能源,随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重,开发清洁、可持续的能源来代替化石燃料迫在眉睫。随着由风能、太阳能、潮汐能等可再生能源所产生的电能被应用在社会生产的各个领域,人们对电能的快速存储提出更高要求,超级电容器以其高功率密度、极短充电时间、超长的循环寿命和强环保性能等特点在能量存储领域受到了广泛关注。随着可持续发展观念的进一步普及,人们对生态环境和绿色能源越来越重视,除了以上可再生能源外,氢能作为新型能源,以其高能量密度、循环可再生和环境友好等特点,且与燃料电池技术的结合可以直接应用于现有的电气设备,成为未来社会代替化石能源最具潜力的新型能源。电解水制氢技术是目前最优的方式之一,目前的电催化产氢电极主要利用贵金属Pt,其低储量和高价格极大地限制了电催化产氢技术在未来实际生产中的广泛应用。因此,基于超级电容器和电催化产氢技术未来的发展前景,对高性能、低成本的超级电容器电极材料和非贵金属电催化产氢电极的探索和设计成为能量存储和转化的重要前提,对实现电能快速存储和氢能广泛利用具有重要推动作用。过渡金属氮化物因其独特的物理和化学性质在能量存储与转化领域,尤其在超级电容器和电催化产氢领域受到越来越多的关注。过渡金属氮化物形成过程中,氮原子掺入金属晶格中,引起原金属d轨道的收缩,从而使其成为接近贵金属催化剂的电子结构。而且,由于氮原子的半径较小,在形成化合物时易于嵌入金属晶格的空隙位置,使得金属原子在很大程度上保持原有的密堆积结构。这种结构使得过渡金属氮化物具有较高的导电性,同时氮的掺入使其获得优良的抗腐蚀性能,这些优点使得过渡金属氮化物在能量存储与转化领域异军突起,成为超级电容器电极材料和电催化产氢材料的重要研究内容。基于超级电容器和电催化产氢技术在能量存储和转化的重要应用,针对目前超级电容器和电催化产氢催化剂存在的问题,本论文以具有优良物理化学性能的过渡金属氮化物(TiN、VN、MoN、WN)作为主要研究对象,从材料结构与性能的关系入手,结合纳米材料制备和微结构调控技术,通过对过渡金属氮化物的形貌、组分、缺陷等参数进行调控,研究其对超级电容器存储性能和电催化分解水产氢性能的影响规律,并结合理论计算模拟研究电催化分解水产氢热力学过程,进一步提高过渡金属氮化物材料在能量存储和转化方面的相关性能。在此基础上,通过材料复合,基于复合材料界面、缺陷、电子结构协同作用,对其超级电容器存储性能和电催化分解水产氢性能进一步优化,设计制备具有高效电荷存储性能和电催化分解水产氢性能的新型能源存储与转化材料的相关设计理论、制备方法和调控手段,进一步推动和促进过渡金属氮化物材料在能源存储与转化领域的应用。本论文的主要研究内容及结论如下:在第一章中,首先简单介绍了能源存储和转化的重要意义,并简要介绍了超级电容器和电催化产氢技术的研究背景及意义、基本原理和活性评价指标,并对超级电容器和电催化产氢技术的研究进展做了简单介绍,然后就过渡金属氮化物在超级电容器和电催化产氢中的应用做了系统的介绍,包括过渡金属氮化物材料的制备、性能以及改性策略等,通过分析现有氮化物材料在超级电容器和电催化产氢催化剂所存在的问题,提出了基于材料结构与性能的关系,通过纳米材料制备和微结构调控,进一步提高过渡金属氮化物超级电容性能和电催化产氢性能的研究思路,并对本论文的选题意义进行了简单讨论。在第二章中,主要开展了 TiN自支撑纳米阵列和VN/C自支撑复合电极的制备及超级电容性质的研究。(1)通过水热-高温氮化方法,在导电基底Ti片上原位合成具有不同形貌的TiN纳米结构。通过调节反应温度、时间等参数,对前驱体的形貌和微结构进行调控,制备了具有多孔结构的TiN纳米片阵列,该阵列完美保持了前驱体的纳米薄片结构,具有较大比表面积,为电子传输提供更多运输路径,同时纳米片上的孔洞结构有利于增加电解液与材料的有效接触,为电子提供更多吸附位点。而Ti片同原位制备的TiN纳米结构之间具有良好的界面接触,可有效降低TiN与Ti基底间的电阻,加快电子的传输。经过电容性能测试,其最高质量比电容为81.63 F g-1;同时该电极表现出良好的稳定性,在经过2500次循环后仍能保持100%的电容量。将两片电极与固态电解质组装成器件后测得较高的体积比电容,以及较高的能量密度和功率密度。(2)在泡沫镍上制备了 VN/C自支撑复合材料电极,通过改变壳聚糖水溶液的加入量,对样品的表面形貌进行调控。其中,具有花片状纳米结构的VN/C电极表现出最好的超级电容性能,在扫描速度为2 mV s-1时获得较高的电容为386.6 F g-1,在高电流密度下仍可以保持良好的倍率性能。通过分析发现,花片状VN/C具有良好超级电容性质的原因主要归结为:壳聚糖经过高温氮化后转化为碳材料均匀分散在VN中,提高了 VN的导电性,促进电子传输;花片状纳米结构具有较大比表面积,增加了电极同电解液的接触面积,并为电子的传输提供更多的运输路径,加快电子转移,在双电层电容的形成过程中吸附更多的电子,增加复合材料体系的电荷存储量,提升其电容性能;导电基底同VN的良好界面接触,可降低界面接触电阻,提升电子传输的有效性,并且省去了繁杂的电极制备工作。实验结果证明,形貌调控获得大比表面积以及提高材料导电性加快电子传输可以有效改善材料的电容性能。在第三章中,主要开展了 MO2N/Ce02复合电催化剂及其电催化分解水产氢性能的研究。基于Ce02价态的灵活转换和氧空位对水吸附和解离的促进作用,通过两步水热和后续氮化的方法在泡沫镍上合成了具有多孔结构的纳米薄片MO2N与Ce02复合材料,并详细研究了其在电催化产氢方面的性能。通过对比电催化HER测试结果发现,该复合材料体系的催化活性远远高于单一相的MO2N和Ce02,在碱性介质中测得其过电位仅为26 mV(10 mA cm-2),并且在多电流(10、20、50、100和150 mAcm-2)稳定性测试(25 h)中保持良好的稳定性,在恒电压下经过100 h产氢测试仍能保持稳定的电流密度。实验数据分析和DFT计算结果表明,在Mo2N/Ce02@NF复合材料中,Mo2N与Ce02之间存在较强的电子相互作用,Ce02的引入有利于促进分解水过程中水的吸附与解离,并显著降低中间产物和产物的能量势垒,从而促进电催化产氢反应的进行。相关工作为制备高效复合电催化产氢催化剂提供了新的制备方法和设计思路。在第四章中,主要研究了不同钼源制备的MoNx/Ce02形貌对其电催化分解水产氢性能的影响。选用不同钼源(磷钼酸、钼酸和钼酸铵),在负载有Ce02的泡沫镍上原位合成了具有不同形貌的MoNx。实验结果表明,利用钼酸铵合成的MONx多孔纳米薄片,相较于利用其他两种钼源制备的海胆状MoNx和板状MoNx,具有更大的电化学活性面积、比表面积和足够的空隙,可以更多地暴露材料表面活性位点,促进催化反应的进行。Mo3+是电催化反应的活性中心,样品表面元素XPS分析发现,利用钼酸铵制备的样品含有较高浓度的Mo3+。经过电催化产氢测试表明,利用钼酸铵制备的样品表现出最优的产氢活性(29 mV),以及最小的 Tafel 斜率(32 mV dec-1),低于 Pt/C 的 Tafel 斜率(35 mV dec-1),而且长时间的产氢实验证明该样品具有良好的产氢稳定性。因此,通过调节电催化剂的形貌与微结构,使其具有大的电化学活性面积,有效暴露材料的活性位点,促进载流子的传输,从而提升材料的电催化产氢性能。第五章中,主要通过材料复合的方法,制备了不同过渡金属氮化物与Ce02复合的电催化材料,并研究了其电催化产氢性质。通过水热和高温氮化的方法在泡沫镍上制备了片状结构的WN/Ce02/NF和VN/Ce02/NF,其微结构由纳米颗粒组成,可为电催化产氢反应提供更多的反应活性位点。电催化性能测试发现,WN/Ce02/NF和VN/Ce02/NF表现出同Pt/C相媲美的催化活性,其达到10 mA cm-2电流密度时的过电位分别为26和24 mV,Tafel斜率分别为31.4和30 mV dec-1,且具有良好的产氢稳定性。通过对不同气氛下制备的复合材料进行研究发现,其优异的电催化性能得益于过渡金属氮化物与Ce02两相之间的协同作用,使得整个复合材料体系展现出优异的电催化活性和长期稳定性。在此基础上,进一步研究了 Ni-N/Ce02/NF、Cu-N/Ce02/NF、WN/Ce02/NF 和 VN/Ce02/NF 复合材料的电催化产氢性能,发现过渡金属氮化物同Ce02复合,其电催化产氢活性均可显著提高,从而证明了该策略具有一定的普适性,为探索制备高活性非贵金属电催化产氢材料提供了新的策略。在第六章中,对本论文的主要研究内容进行了总结,并对本论文研究工作的主要创新点进行了简要表述,最后针对本论文研究工作存在的不足之处进行了简要分析,并对下一步拟开展的研究工作计划进行了展望。总之,经过本论文的研究,证明过渡金属氮化物在能量存储与转化方面,特别是超级电容器和电催化产氢催化剂方面,具有优异的性能和广泛的应用前景。基于材料结构与性能的关系,通过对材料进行形貌调控及构建复合材料体系,是改善其超级电容和电催化产氢性能的有效途径,为探索具有新型高效过渡金属氮化物超级电容和电催化产氢材料,推动其在能量存储与转化领域的实际应用具有重要意义。