二十世纪以来,过渡金属氧化物因其制备成本低廉且应用领域广泛而备受关注。随着对材料纳微结构形态研究的不断深入,研究者们发现介孔材料具有氧缺陷位点丰富、比表面积高、孔结构发达、孔隙大小和结构可调等特点,在能源转换与储存、催化、吸附与分离等领域具有巨大应用潜力。因而越来越多的研究者们对将介孔结构引入到过渡金属氧化物中这一课题产生了浓厚的兴趣,同时一系列具有代表性的介孔过渡金属氧化物已经被成功制备。然而,现有的合成策略仍具有一些局限性:一是合成方法缺少普适性,提出的合成策略只适用于一种或几种特定的过渡金属元素;二是反应产量较低,几乎很难实现单次反应获得克级以上产物;三是对氧化物孔径的精确调控比较困难,现有的通过改变表面活性剂链长调节孔径的方法不仅表面活性剂合成过程复杂而且对孔径的调节范围有限;四是具有高结晶温度的过渡金属氧化物材料的介孔结构在煅烧过程中容易塌陷难以保持。因而提出具有普适性的合成策略用于大规模制备孔径可调的过渡金属氧化物,以及开发适用于具有高结晶温度的介孔过渡金属氧化物的合成方法对于推进过渡金属氧化物材料的发展十分重要。本论文以介孔过渡金属氧化物及其复合材料的设计合成与性能开发为研究对象,利用两种不同的合成策略分别制备了一系列介孔过渡金属氧化物和具有高结晶温度的多孔高熵氧化物材料,并对其应用性能进行了深入的探索。本论文主要取得了以下研究成果:1.提出了一种具有普适性的配位协同自组装方法用于合成具有高结晶度和高比表面积的介孔过渡金属氧化物。在这种方法中,含羧基的配体被用作配位剂以减缓前驱体的水解和缩合速率,同时该配体通过氢键与表面活性剂Pluronic P123中的PEO嵌段相互作用,两种化学键共同保证了模板剂胶束和金属离子的可控自组装。在溶剂挥发过程中,X射线衍射、透射电子显微镜和氮气吸附结果表明制备的介孔金属氧化物是由许多高度结晶的纳米颗粒构成的,这些纳米颗粒紧密堆积形成了具有均匀孔径分布的介孔结构。目前,此方法已成功合成了一系列介孔过渡金属氧化物（Co₃O₄,Mn₂O₃,Fe₃O₄,NiO,CuO,ZnO,Cr₂O₃）及复合金属氧化物材料（Co₃O₄/Fe₃O₄,Co₃O₄/NiO,Fe₃O₄/NiO）。介孔Co₃O₄/Fe₃O₄复合材料作为电催化剂在电催化产氧反应过程中表现出来较高的催化活性,达到10 mA·cm^-2的电流密度时,产氧反应的过电位是322 mV。这表明该方法不仅拓展了介孔过渡金属氧化物及其复合材料的合成方法,同时也为电催化反应中催化剂的开发提供了更多可能性。2.由于价格低廉且安全性高,锰氧化物被认为是可充电水系锌离子电池中具有潜力的正极材料之一。但是,三氧化二锰在水系锌离子电池中的实际应用仍然面临低比容量和低倍率性能的困扰。在此,利用配位协同自组装策略合成了孔道相互连通的、孔径大小可调的介孔三氧化二锰材料,并将其用作可充电的水系锌离子电池的高性能正极材料。Mn²⁺与柠檬酸配体之间的配位程度在介孔骨架的形成中起着至关重要的作用,材料的孔径在3.2 nm到7.3 nm范围内可调,比表面积在55 m²·g^-1到260m²·g^-1范围内可调。该材料独特的介孔结构以及良好的结晶度使其作为锌离子电池正极材料展现出了较高的容量(电流密度为1C时容量为233mAh·g^-1),良好的倍率性能（电流密度为10C时容量能够保持70%以上）以及杰出的循环稳定性（3000次充放电循环后容量能够保持在90%左右）。除此之外,我们首次深入研究了三氧化二锰作为锌离子电池正极材料的反应机理,提出了锌离子/氢离子嵌入/脱出机理,并且在实验中发现提高材料的比表面积有助于大幅度提升电池的容量,这对未来高性能电极材料的设计合成具有指导意义。3.通过锚固-融合方法制备了一种新型的具有多孔层状结构的高熵氧化物材料,该材料作为苯甲醇无溶剂需氧氧化反应的非均相催化剂展示出了超高的催化活性。由于材料中存在丰富的氧缺陷和催化活性位点,催化反应仅进行两小时后反应的转化率就可高达98%,远高于文献中已报道的贵金属催化剂和非贵金属催化剂对该反应的转化率。我们通过合理调节催化反应参数（催化剂中各组分含量和催化反应进行时间）,可以选择性地优化苯甲酸或苯甲醛为苯甲醇氧化反应的主要产物。实验结果和理论计算使我们对催化机理有了更加深入的认识,揭示了材料中丰富氧缺陷的存在是其展示出超高催化活性的主要原因。我们制备具有多种催化活性中心和丰富氧缺陷的多孔高熵氧化物的方法为新型非均相催化剂的研究开辟了新道路。