随着工业社会的快速发展,能源短缺成为困扰社会经济发展的重要问题,开发经济环保的可再生新能源、减少传统能源的消耗是能源结构转型的主要目标。近年来,各类电化学存储与转化体系受到研究人员的广泛关注。然而,低成本、高性能的电极材料的匮乏限制了各类电化学储能体系的商业化应用。此外,随着电子设备不断向轻薄便携化、柔性可弯曲化、可穿戴化的方向发展,传统超级电容器、锂电池等器件难以在弯曲折叠等条件下安全运行。因此,具有轻薄、柔性特征的电极材料和器件成为近年来的研究热点。纳米纤维材料尤其是超细纳米纤维具有一定的柔韧性,可作为纳米填充或纳米基元材料应用于各种电化学储能体系。本文从纳米纤维的来源出发,分别选取了两类不同的纳米纤维材料:一种是生物质、绿色环保的细菌纤维素（BC）天然纳米纤维,另一种是在合成纤维中具有极高机械强度的芳纶纳米纤维（ANF）。这两类纳米纤维具有相似的纤维尺寸、均匀的表面官能团和三维网络结构,其衍生碳纤维还具有低密度、高导电性的特点。分别以BC和ANF为纳米基元,通过不同技术手段构建并优化了一些具有高反应活性的电极材料,研究了这两类纳米纤维及其复合材料在几种具有代表性电化学储能体系中的应用,借助一系列表征手段和电化学测试,深入研究纳米复合纤维电极材料结构与其电化学性能之间的构效关系,为电化学储能体系中的新型电极材料提供新思路。具体内容如下:1.氮掺杂碳化细菌纤维素负载铂催化剂在甲醇电氧化中的应用以生物发酵培养的BC膜为原材料,以廉价环保的尿素为N源,通过溶液浸润使尿素分散在纤维表面,通过高温碳化后获得了高比表面积、高导电性、氮掺杂分布均匀的碳纳米纤维材料,以该氮掺杂碳纳米纤维为导电载体负载金属Pt纳米颗粒。详细探讨了碳载体材料制备过程中的碳化温度对复合催化剂材料结构和电化学催化性能的影响。结果表明,氮掺杂量和键合结构随碳化温度变化发生转变,氮掺杂和较高的碳化温度不仅可以有效提高碳纳米纤维的导电性,还可以为负载超细Pt纳米颗粒提供更多的活性位点。碳化温度为1000℃时的催化剂材料具有优于商业化Pt/C催化剂的甲醇氧化反应（MOR）电催化活性(627 m A mg-1)、抗CO中毒能力和化学稳定性,表现出作为甲醇电氧化的理想Pt基碳载体材料的潜在可能。2.基于BC制备SnS包覆的碳纳米纤维用于可逆锂存储基于BC纳米纤维的模板结构,利用溶剂热和高温热处理制备了薄层SnS纳米片包覆的碳纳米纤维材料,作为自支撑负极材料实现了锂离子电池性能的提升。借助BC膜表面丰富的羟基官能团和大孔网状结构,最终实现SnS均匀包覆碳纤维构成三维网状纳米结构。通过改变碳化温度和负载浓度来调控复合材料的结构和组成,优化储锂性能,有效缓解充/放电过程中的体积变化问题。优化的SnS/CBC复合纳米材料可直接作为阳极应用于锂离子电池,在100 m A g-1的电流密度下100次循环后表现出较高的可逆容量(872 m A h g-1),在电流密度2.0 A g-1下1000次循环后仍保持高达527 m Ah g-1的容量。这种具有独特纳米结构和柔性自支撑的纳米复合材料的制备方法有望开发出更多高性能的锂离子电池电极材料。3.金属有机框架/ANF衍生的氮掺杂碳化产物在氧还原催化中的性能研究基于ANF为模板,以金属有机框架（ZIF-8）为氮源,利用纳米纤维表面均匀的酰胺基促进ZIF-8高度分散成核,使纳米晶体沿着ANF表面均匀地组装和生长,同时纤维分子链通过分子间强相互作用力构成三维网状结构,最终通过高温碳化过程,得到高导电性、高比表面积(851.04 m~2g-1)、高氮掺杂的分层多孔碳纳米纤维材料。与纯ZIF-8晶体碳化得到的N掺杂多孔碳相比,氮掺杂多孔碳纳米纤维材料表现出更大的比表面积和孔体积。实验表明,氮掺杂多孔碳纳米纤维在碱性电解液中,表现出优于商业Pt/C催化剂的氧还原反应（ORR）催化性能、化学稳定性和甲醇耐受性（转移电子数3.80,半波电位-0.201 V）。该制备方法为构建低成本高性能的MOF基电极材料提供了一个巧妙的结构设计思路。4.基于ANF的对称型超级电容器柔性电极和隔膜的制备与性能研究借助ANF具有柔性、机械性能高的特点解决二维材料（氮化硼和石墨烯）片层堆积的问题,通过真空抽滤的方法制备ANF-氮化硼膜,通过各种表征手段证明了该复合膜是一种具有高孔隙率、热稳定性好、绝缘的锂离子电池隔膜替代材料。并在此基础上,提出了一种以ANF-石墨烯复合膜为电极材料与ANF-氮化硼复合膜为隔膜的对称型超级电容器柔性薄膜。ANF不仅能增大二维片层的层间距,避免发生团聚或堆积,还可以提供高强度的机械性能获得柔性薄膜。出色的热稳定性和结构稳定性使得复合膜在100℃下可以安全稳定地运行,在整个8000次循环过程中比电容并无明显的容量损失,在8000次循环后其容量保持能力高达93%以上。虽然该复合膜在电容性能方面有待优化,但是其在高温条件下能够表现出较为稳定的循环性能。这项工作,提供了一种柔性电极材料在薄膜器件中应用的新思路。