近年,化石燃料的大量使用及其不可再生性引起了严重的环境和能源问题,高效、绿色、安全、低成本能源储存器件的发展成为缓解该问题的关键。水系储能器件,如超级电容器、水系锌离子电池等,因其高性能、低成本和高安全性,受到众多研究者的广泛关注。然而,它们仍然存在不足,如超级电容器能量密度较低,且快速充放电稳定性差;水系锌-二氧化锰电池容量低,长循环稳定性差等,严重限制了它们在大规模储能设备中的实际应用。其中,电极材料是决定储能器件性能的关键因素。目前,电极材料存在以下问题:1)组分单一:电压范围、导电性和分散性等受限;2)一般为块体粉末:比表面积小（暴露的活性位点少）,孔隙率低（离子传输速率慢）。这些问题严重限制其储能性能的提升。多组分分级结构电极材料能够有效解决上述问题:1)多组分:不同组分之间协同效应可以弥补单一组分的不足,从而提高电化学性能;2)分级结构:大的比表面积和孔隙率可以有效增大活性材料与电解液接触面积,促进电解液离子扩散,从而提高活性材料的利用率和电化学反应速率。因此,通过合理设计电极材料的结构和组成,制备具有多组分分级结构电极材料,是提高电化学储能器件性能的有效途径,也是当前能源技术的重要研究方向。本论文主要围绕MOF衍生过渡金属基水系储能器件电极材料的合理设计、可控合成及性能开展研究。具体研究内容如下:1、发展了一种简单、易操作的“自牺牲模板法”制备了由二维纳米片组装而成具有分级结构的Ni（OH）₂-MnO₂/C电极材料。通过调节实验参数精确调控Ni（OH）₂-MnO₂/C的组成和结构,研究了温度和时间对Ni（OH）₂-MnO₂/C组分及结构的影响规律,结构与性能之间的构效关系,储能机制。超级电容器性能测试表明,该复合材料比容量高(在2 A·g^-1时为862.0 F·g^-1)、倍率性能优异(在40 A·g^-1时为574.0 F·g^-1)和长循环稳定性好(在2 A·g^-1时循环10000圈容量保留87%)。此外,基于Ni（OH）₂-MnO₂/C复合材料组装的全固态对称超级电容器,表现出高的体积功率密度(0.672 mW·cm^-3)和能量密度(0.027 mWh·cm^-3)以及良好的柔韧性和长循环稳定性（10000圈）。这些优异的性能归功于多级结构和多组分的设计构筑,促进了电化学反应动力学,从而使电化学反应更加高效,同时借助双电层电容和赝电容协同增强其储能性能。2、基于上述策略,为了进一步提高超级电容器的能量密度和快速充放电性能,我们借助“外模板法”与“溶胶-凝胶”技术,构筑了具有分级结构的还原氧化石墨烯-MOF衍生金属氧化物（rGO/M_xO_y）复合材料气凝胶。通过调节反应参数对rGO/M_xO_y气凝胶的结构和组成进行调控,研究了原料种类、配比对产物组成及结构的影响规律,同时对制备方法的普适性进行了验证。对其进行超级电容器性能测试发现,电极材料除了具备高比容量(在1.0 A·g^-1时容量达869.2 F·g^-1)和功率密度(8010.0 W·kg^-1在25.8 Wh·kg^-1下)外,还展示出高能量密度(79.2Wh·kg^-1在405.0 W·kg^-1下)和高电流密度下的循环稳定性(20.0 A·g^-1下5000圈几乎没有改变)。基于此电极材料构筑的全固态超级电容器器件,同样展示出优异的电化学性能,特别是高能量密度和高倍率下的循环性能。与“自牺牲模板法”制备的Ni（OH）₂/MnO₂/C复合材料相比,由于外模板（石墨烯）的引入和三维多孔气凝胶的构筑,使材料具有更好的导电性、更大的比表面积、暴露更多的活性位点,大大提升了电极材料的利用率、电化学反应速率和稳定性。3、通过“外模板法”成功制备得到MOF衍生ZnO/MnO₂/C@CC阵列结构自支撑正极材料,通过原位和非原位技术对其形成机理、储能机制进行了研究和探讨。对其进行储锌性能测试发现,该正极材料表现出高比容量(0.5 A·g^-1电流密度下,比容量为349.4 mAh·g^-1)和倍率性能(电流密度升至4.0 A·g^-1时,比容量仍有136.6 mAh·g^-1)以及长循环稳定性(2.0 A·g^-1电流密度下,循环1100圈后,比容量仍有175.7 mAh·g^-1,保持率为78.7%)。上述优异的性能主要得益于阵列结构大的比表面积和孔隙率,不仅可以暴露更多活性位点,而且可以有效缩短离子传输路径。同时复合材料直接用于自支撑电极,可有效避免粘结剂的使用。这些特点大大提高了活性材料利用率和电化学反应速率,从而提高其储能性能。另外,碳包覆层的存在,可以有效缓解锌离子嵌入/脱出过程中MnO₂的结构破坏,从而提高电极材料的稳定性。