随着全球化石能源大量消耗,气候变暖与环境污染等问题日趋严重。而且,石油、煤炭和天然气等化石资源为不可再生资源,因此,迫切要求开发、应用清洁能源。目前已有的清洁能源技术包括:二次电池、燃料电池、太阳能电池和超级电容器等。其中,基于碱金属离子的二次电池具有绿色、环保、比容量高和可重复充电等优点,具有广阔的应用前景及改进空间。锂离子电池广泛用于便携式电子设备及电动汽车中,其性能高度依赖于负极材料的性能。由于对设备便携和新能源汽车续航的要求不断提高,以及传统的商业石墨较低的理论容量(372 mAh g^-1)限制,开发新型碳材料和金属氧化物/硫化物负极材料引起日益关注。黄铁矿（FeS₂）具有较大的理论储锂容量(894 mAh g^-1),且环保价廉;然而其导电性差、充/放电过程存在穿梭效应等问题制约了应用。另一方面,由于地壳中锂资源有限（20 ppm）、价格昂贵,而同一主族的钠/钾资源在地壳中储量（分别为2.36%和2.09%）远远高于锂资源量,有望应用于二次电池。但离子半径K⁺和Na⁺大于Li⁺,难以在传统的石墨层间插层,使得电池比容量较低、循环稳定性和倍率性能较差,无法满足实际应用需求。因此,寻求合适的碳基纳米结构电极材料,提升锂/钠/钾离子电池性能具有重要意义。针对上述问题,本论文从两方面开展工作,主要研究内容和取得结果如下:1.基于化学气相沉积法制备独特结构的铁纳米线/棒填充的氮掺杂碳纳米管（Fe/N-CNTs）,利用氮掺杂碳纳米管管壁上的缺陷,通过简便的硫化过程,实现了碳管内铁的“原位限域”硫化转化。所得氮掺杂碳纳米管限域黄铁矿（FeS₂/N-CNTs）复合材料中黄铁矿以两种形态存在,一种是由半开放的氮掺杂碳纳米管包裹的FeS₂纳米线,另一种是FeS₂纳米颗粒从管腔扩散并附着在碳管外壁上。该合成技术易于实现FeS₂含量的控制。复合材料中的氮掺杂碳纳米管与原位转化的FeS₂结合牢固,有效地提高了FeS₂的导电性,并可抑制其在充/放电过程中的体积膨胀现象和穿梭效应。FeS₂/N-CNTs复合物作为锂离子电池的负极材料,表现出高放电容量(996 mAh g^-1/0.1 A g^-1)和良好的倍率性能,且循环性能优良。2.利用石墨相氮化碳纳米环（g-CNNRs）为模板,以含氮聚合物为前驱物,构筑了新颖的氮掺杂空心结构碳纳米环（N-CNRs）。通过改变含氮聚合物种类、包覆时间、碳化温度等工艺条件,可调控N-CNRs的碳壁厚度、内/外直径大小及氮掺杂水平。将N-CNRs作为室温下钾离子电池的负极材料,在50 mA g^-1下表现出420.9 mAh g^-1的超高脱钾能力,在长达2100次的循环测试中,容量保持率为89%。其优异的储钾性能主要归因于化学组成与坚固的中空结构二者协同效应。独特的中空纳米结构具有增大的层间距离和更薄的壁厚,这有利于缓解由钾离子的嵌入/脱嵌引起的较大的层间膨胀/收缩,同时大大增强了钾离子转移动力学。中空结构不仅有利于电解质的渗透,而且还缩短了钾离子扩散途径。该合成策略为可控合成空心纳米结构开辟了一条新途径,这将为开发用于储能或催化相关应用的高活性材料提供启示。