自从索尼公司首次推出商业化的锂离子电池以来,锂离子电池已被广泛应用于便携电子设备,且锂离子电池被认为是电动汽车中最有应用前景的电源。碳材料通常作为锂离子负极材料,但是碳材料的理论比容量低且存在安全性问题,其性能有待于进一步提高。我们需要开发一种高容量、高倍率和循环性能较好的新型负极材料。二氧化钛(Ti O2)因为具有良好的倍率性能、循环稳定性和安全性高等优点而引起了人们广泛的关注,但是其导电性较差。针对这些问题,我们通过将材料纳米化、构筑特别形貌和与碳材料组成复合材料等方法来改善Ti O2的性能,提高材料的电储锂性能。此外,氢气是理想的、可持续发展清洁能源,未来可以取代化石燃料。在电解水中,贵金属基催化剂(Pt,Ru,Ir)表现出很好的电催化性能。但是贵金属因为稀缺且价格昂贵,不适合大范围应用。目前,大量的研究者已经致力于开发储量丰富且成本低的非贵金属催化剂来取代贵金属基催化剂。非贵金属催化剂中金属硫化物、氢氧化物、磷化物和氮化物等已被证实具有稳定的催化析氢性能。其中,金属磷化物具有类似氢化酶的催化机理和较高的催化活性,是最有希望应用于催化析氢的替代物之一;金属氢氧化物由于本身具有高活性和较大的比表面积,被证实有利于催化析氧。主要研究内容如下:(1)在可再生能源领域,发展有助于催化析氧反应的非贵金属仍是关键,同时也面临着挑战。在本章中,我们将镍铁层状双氢氧化物(Ni Fe LDHs)量子点嵌入到膨胀石墨层中,使Ni Fe LDHs量子点包覆在石墨片上。其中膨胀石墨层与层间的空间作为纳米反应器,在有限的空间内,形成Ni Fe LDHs量子点。在析氧反应中,量子点提供了大量的活性位点。在量子点和膨胀石墨间因为原物聚合使其具有强的作用力,诱导电荷快速转移。综合以上优点,该催化剂表现出较好的催化析氧性能,在电流密度为10 m A cm-2时,表现出较低的析氧过电位,其值为220 m V,较低的Tafel斜率和持久的催化稳定性,这些优点使该材料成为具有应用前景的析氧反应(OER)催化剂。(2)人们对于清洁和可持续能源的需求,使得寻找成本低且活性高的双功能催化剂变得至关重要。本章中将Ni2P-Co P混合金属磷化物负载在氮掺杂的石墨烯上形成Ni Co P/NG,将其作为高效且储量丰富的电催化剂应用于电解水反应中。Ni Co P/NG电催化剂具有丰富的活性位点、协同作用以及与氮掺杂的石墨烯的混合使其在碱性溶液中表现出较好的催化析氧性能,甚至比Ru O2的OER性能更佳。在双电极系统中,Ni Co P/NG催化剂分别作为阴极和阳极在碱性溶液中进行电解水性能测试,在电流密度为20 m A cm-2时,电池电压低至1.57 V。在双电极的电解池中,在一个额定电压为1.5 V的单电池的驱动下,可以进行电解水反应,使Ni Co P/NG可作为高效且成本低的电催化剂应用于电解水中。(3)利用溶胶-凝胶法合成了氮掺杂的Ti O2,将其嵌入到膨胀石墨层中,形成N&Ti O2/EG复合材料。EG的层间距提供了较多的储锂空间,缓解了体积效应;氮掺杂的Ti O2具有较好的倍率性能和循环稳定性,将其组合成复合材料作为锂离子负极材料,有效地提高了材料的比容量、倍率性能和循环稳定性。在0.1 A g-1下,其放电比容量高达400 m Ah g-1,循环100圈以后,其放电比容量稳定在309.5m Ah g-1,说明其具有良好的循环稳定性。在5 A g-1下,其放电比容量为183.7 m Ah g-1,该材料表现出较好的倍率性能。