随着化石能源的日益枯竭和对人类生存环境的担忧,可再生能源的开发和利用正受到越来越多的重视。高性能的能源的存储与转换过程在该领域起着重要的作用,如超级电容器和析氧反应等。超级电容器一方面可以存储间歇性发电装置(风能和太阳能)所产生的电能,另一方面可为电子消费品、电动汽车等提供电能。析氧反应(OER)则是电催化分解水制氢、金属空气电池和燃料电池中的关键步骤。但目前超级电容器材料仍然面临着容量和倍率性能不够高等缺点;同时,OER催化材料也面临着活性和稳定性不足的困境。因此,开发高效的电极材料用于超级电容器和OER过程有着重要的科学意义。本文围绕上述电极材料应用中制约因素,设计制备了高效的二维金属氧化物基纳米材料。通过缺陷工程调制和元素掺杂等技术手段,有效地提高了电极材料的导电性和稳定性,进而提升了二维材料在电化学能源储存与转换应用中的性能。主要内容分为以下四个部分:(1)富含氧空位的二维Co3O4纳米片的合成及其用于超级电容器电极材料研究:Co3O4用于赝电容超级电容器研究主要优势在于其超高的理论容量和丰富的变价金属离子。但是其主要制约因素是其导电性差和电极材料利用率低下。针对这些问题,我们设计了一种厚度在20 nm左右的纳米片状材料,以此来提高材料的有效利用。同时采用液相室温还原法在其表面认为地创造丰富的氧空位,氧空位的存在使得Co3O4禁带中增加了缺陷态,从而使其导电性提高了一个数量级。氧空位的存在同时增加了材料中二价钴离子的比例,从而提升了材料的理论容量。三电极体系测试中,这种富含氧空位的Co3O4纳米片在1Ag-1的电流密度下展现出2195 F g-1的比电容,相比于未还原的样品,其比容量提高了约3.6倍。电流密度增至32 A g-1时仍有1591 F g-1。循环3000次后比容量只衰减了约10%,显示出良好的循环稳定性。本部分工作为探索下一代超级电容器电极材料提供了一定的理论支持。(2)富含氧空位的二维NiCo204纳米片的制备及其用于超级电容器电极材料研究:相比于单一过渡金属的氧化物,掺杂型的双金属氧化物由于其丰富的组成、离子间的协同作用和更高的导电性而具有优异的电化学性能。我们采用乙二醇作为溶剂和结构导向剂,通过水热、煅烧和液相还原制备了富含氧空位的NiCO2O4纳米片状材料。三电极体系用于超级电容器性能研究,在lAg-1的电流密度下展现出1980 Fg-1的质量比电容,相比于未还原的样品,其比容量提高了约1.3倍。电流密度增至20 Ag-1时电容可保持为1Ag-1时的91.5%,展示出了优异的倍率性能。为超级电容器电极材料的设计和构筑提供理论基础。(3)缺陷工程调制的二维ZnCo2O4纳米片用于析氧反应:结晶性不同的ZnCO2O4在作为超级电容器电极材料时有着显著的差异。同时,其作为一种严格意义的的正尖晶石结构材料,在OER反应中二价锌离子是化学惰性的,真正起催化作用的是三价钴离子。丰富的氧空位不但提高了材料的导电性,还使得钴氧八面体结构得到破坏,促进了电解质与活性位点的接触。此外,锌离子在碱性介质中不稳定而缓慢溶出,进一步扩展了电解质的传输通道,促进了 OER过程的顺利进行。在0.1 M KOH溶液中10 mA cm-2的过电势和塔菲尔曲线斜率分别为324 mV和56.9 mV dec-1,且在10 mA cm-2的电流密度下寿命可达30小时,而相同测试条件下未经处理的ZrnCO2O4的过电势和塔菲尔曲线斜率分别高达427 mV,74.4 mV dec-1。本部分工作为OER电催化剂的设计提供了一种新的思路。(4)表面硫化的二维镍钴层状氢氧化物纳米片用于析氧反应:针对镍钴层状氢氧化物导电性和稳定性差的问题,我们通过室温快速硫化(30s)的方法在其表面构造一层羟基硫化物,具有良好导电性和稳定性的硫化物层起到了类似“盔甲”的作用。同时,硫元素的掺杂可以有效调控金属离子的电子结构。在0.1 MKOH电解质中,电流密度为10DmACcm-2时的过电势为293 mV,塔菲尔曲线斜率为72 mV dec-1。且寿命可达62小时,而相同测试条件下的商业氧化钌和镍钴层状氢氧化物的过电势分别为326 mV和346 mV。