进入21世纪以来，能源短缺以及化石燃料的大规模使用引发的一系列环境问题变得越来越严重。如何开发新的能源转化利用形式并进行有效的能源存储成为科学家们研究的热点。本研究从纳米复合材料的结构设计及合成出发，开发出一系列新型的纳米复合材料，并应用于质子交换膜燃料电池的阴极氧还原催化剂以及超级电容器的电极材料，取得了一些阶段性的成果，具体研究内容如下:　　1.质子交换膜燃料电池是一种有非常有前途的能源转化装置，由于其能量转化效率高、无污染，受到了人们的广泛关注。然而其阴极氧还原反应存在着较大的过电势且目前广泛使用的Pt基催化剂储量少价格昂贵，严重阻碍了其商业化进程。设计合成高活性、高稳定性的阴极氧还原催化剂并降低贵金属Pt的用量，成为科学家们广泛研究的课题。本研究从纳米复合材料的结构设计出发，在金纳米棒表面可控沉积出了近1～2原子层的Pt超薄薄层。当将这种具有Pt薄层结构的复合纳米棒用作阴极氧还原催化剂时，其展示出了优异的催化活性及循环稳定性，其质量活性达到了0.464mA/μgPt，约为商业Pt/C催化剂的3.2倍。另外该研究还通过密度泛函计算，阐释了其高活性背后的深层次原因，为高性能低Pt量催化剂的研究开发指明了道路。　　2.尽管Pt催化剂的催化活性高，但其在地球上的储量十分有限且价格非常昂贵，限制了它的大规模使用。如何用廉价、储量丰富的其它非贵金属催化剂来取代Pt基催化剂是当今科学家们的研究热点。本研究从分子组装的角度出发，在石墨烯表面上，通过对金属离子及卟啉分子的多次循环吸附，制备出了多层钴卟啉/还原氧化石墨烯的复合物来取代贵金属Pt催化剂。并通过结构优化，获得了高催化活性的的催化剂，其起始电位与商业的Pt/C催化剂相比只有约80 mV的差距。同时，由于石墨烯的大比表面积、高导电性及稳定性，合成催化剂的稳定性及抗甲醇中毒性能均得到了很大的改善。该研究为高活性、高稳定性复合非贵金属氧还原催化剂的设计与开发提供了新的思路。　　3.超级电容器，尤其是赝电容电容器，能快速并可逆地存储比双电层电容器更多的电荷，近年来引起了人们很大的研究兴趣。基于导电高分子的电容器，由于其具有成本低、环境兼容性好、导电性好（掺杂态）、电压窗口宽、存储能力大及可逆性强等优点，越来越受到人们的广泛关注。然而以导电高分子为主体的电极材料由于其与电解液之间接触不够充分以及在不断的循环过程中的膨胀和收缩，严重影响了其电荷存储能力及循环性能。一个很有效的解决这个问题的方法是在二维层状无机材料表面上生长超薄的导电高分子层。基于此，本研究发展了一种基于溶液相的方法来合成单层MoS2与聚吡咯的复合物并用作超级电容器电极材料。这种特殊的三明治状的结构特点使得人们能够更有效地利用赝电容材料聚吡咯的电荷存储能力，同时导电的MoS2单层材料的引入也提高了电荷的传输能力，使得该有机-无机复合材料拥有大的比电容量、良好的速率性能以及优异的循环稳定性。MoS2/PPy复合电极材料其比电容量达到了创纪录的695 F/g，能量密度高达83.3 W h kg-1（功率密度3332Wkg-1），而且在4000次循环测试后其比电容量依然能够保留85％。