金属氧化物纳米材料具有丰富的形貌结构和独特的物理化学性质，已被广泛应用于催化、传感、新能源等众多领域。在过去的十多年里，研究者们对于金属氧化物纳米材料的合成做了大量的研究工作，开发了一系列策略来构建新颖结构的金属氧化物材料，拓宽了它们在各个领域的潜在应用。然而，对于金属氧化物微观结构（如电子结构、形貌结构）的精确调控及其与性能之间构效关系的研究遇到了诸多挑战，导致发展缓慢，严重阻碍了金属氧化物材料在实际中的应用。　　本论文以金属氧化物功能材料的电子结构和形貌结构出发，设计和制备出具有丰富缺陷态以及核壳、中空结构的金属氧化物纳米材料，探究了材料的微观结构和性能之间的关系，为金属氧化物材料在光学、电化学以及光催化领域中的应用提供了方向。本论文主要包括以下几个方面:　　1.以金属氧化物的电子调控为导向，首先通过溶剂热法制备了具有丰富氧空位的非化学计量MoO3-x纳米片，再经过热处理过程得到了核壳结构的MoO3-x@MoO3。大量氧空位的存在使得MoO3-x纳米片中含有高浓度的载流子，能够产生局域表面等离子共振(LSPR)特性;而特殊的核壳结构既保留了核层的LSPR特性，同时又可以排除纳米片表面光催化降解探针分子的干扰。该核壳结构的纳米片被用作表面增强拉曼散射(SERS)的活性基底时表现出优异的活性。以亚甲基蓝(MB)作为探针分子为例，检测极限可达10-7M，增强因子可达1.42×105，可以和贵金属材料相媲美。　　2.提出了一种光辅助的策略用于合成无定型MoO3-x纳米片。在合成过程中，溶液表现出LSPR强度的变化以及丰富的颜色变化。针对这两种特性，分别探究了材料在检测生物蛋白质牛血清蛋白(BSA)以及光致变色方面的应用。研究表明，无定型纳米片和BSA具有很好的亲和性，它的LSPR强度随着BSA浓度的提高而显著增强，并且响应因子和浓度表现出很好的线性相关性，可以作为定量分析BSA的手段，检测极限可达0.2mg·mL-1。此外，在该材料的溶液体系中引入少量氧化剂H2O2时，可实现可逆的光致变色。　　3.通过模板法和原位热转化的策略，成功构建了具有优异储锂性能的核壳结构MoO2@NC复合材料。在这部分工作中，首先通过原位氧化聚合的方法，实现了聚吡咯在MoO3纳米带上的均匀包覆，后续的煅烧过程将聚吡咯和MoO3原位热转化成氮掺杂的碳和MoO2，产物呈现出明显的核壳结构。氮掺杂碳的引入不仅提高了材料的导电性，增加了活性物质和电解液的接触面积，改善了离子/电子的传输性能，而且缓解了体积效应，避免了活性物质的破碎;而稳定的核壳结构可以进一步保持材料结构的完整性。研究表明，该复合材料表现出良好的充放电比容量、循环性能和倍率性能。在电流密度为0.5A·g-1下充放电100圈后，材料的放电容量仍有692mAh·g-1。　　4.通过模板法制备了由超薄TiO2纳米片组装而成的多级空心纳米管，该纳米管具有丰富的缺陷态（Ti3+和氧空位）和较大的空腔结构。研究表明，氧空位可作为吸附氮气的活性位点，并且可成为光生电子和预吸附氮气之间电荷传输的桥梁;Ti3+作为一种Lewis碱，电子可以进入N2的反键轨道中，进而起到活化氮气的作用;空腔结构能够促进入射光的多重散射，提高光的利用率。该材料在光催化固氮反应中表现出优异的催化活性，太阳光下产氨速率可达106μmol·g-1·h-1。　　5.通过简单的自组装法制备了具有双介孔核壳结构的mFe3O4@mSiO2复合材料。我们以Fe3O4纳米粒子作为组成基元，以1，2-双（三乙氧基硅烷基）乙烷为硅源，在表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的作用下，一步自组装得到了双介孔结构的mFe3O4@mSiO2。该复合材料具有较大的比表面积、开放的孔道结构和良好的超顺磁性，在水中有机污染物的移除方面表现出优异的效果。吸附数据表明，双介孔结构的mFe3O4@mSiO2具有快速吸附水中MB的能力，吸附容量可达33.12mg·g-1;此外，吸附的有机污染物可通过光芬顿降解反应去除，实现吸附剂的快速再生。