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近年来,传统化石能源迅速损耗和日益增加的环境问题为全球不断增长的能源需求带来了棘手的科学和技术问题。鉴于这些难题,能源问题将成为21世纪人类面临的最大挑战。因此,发展可持续清洁新能源是势在必行的。在新能源领域,锂离子电池和电催化分解水是非常重要和有前景的能源存储和能源转换方式。众所周知,正极材料在锂离子电池系统中是核心角色,己经得到研究者们的广泛关注。在分解水的电化学反应中,氧气析出反应(OER)由于其低效和复杂的四电子氧化还原过程的限制,寻找高效的催化剂材料成为此方向的研究重点。因此,设计具有优异电化学性能的正极材料和OER催化剂是促进新能源领域发展迫切要需求。本论文主要侧重于设计和改性橄榄石结构LiMPO4(M=Fe, Mn, Ni)的纳米材料,并用作锂离子电池正极材料OER催化剂,以此提高它们在能源存储和转换领域的电化学性能。主要内容包括以下几个方面：1.本论文中分别用原位(In-Situ)和非原位(In-Situ)两种碳包覆方法合成核壳结构的LiFePO4/C纳米材料,分别命名为In-LFP@C和Ex-LFP@C。高分辨透射电镜(HRTEM)表征结果显示出两个样品颗粒有均匀～3 nm的碳包覆层,但是其电化学性能差异巨大。软X射线吸收光谱显示在In-LFP@C样品中C层和LiFePO4粒子表面通过C-O紧密相连,而Ex-LFP@C样品中并未出现C-O化学键,碳可能只是疏松地附着在颗粒的表面。由于控制LiFePO4/C电化学性能主要因素是LiFePO4与C固-固界面上的电荷转移,因此两个材料电化学性能差异的根本原因可能是固-固界面性质差别。2.我们设计一种用甘油同时作为碳源,溶剂和表面活性剂的方法合成了高活性的多级孔LiMnPO4/C颗粒。HRTEM图像显示在该样品中不同状态的颗粒都可以获得均匀的碳包覆层,形成了完整的碳导电网络,而且碳具有高的石墨化程度,能观测到石墨条纹。与纯相的LiMnPO4相比,LiMnPO4/C中的P043-的拉曼特征峰向低频偏移接近10 cm-1,说明碳层对LiMnPO4产生了影响,DFT结果计算表明可能是C与LiMnPO4产生了键合作用,使得P-O键被拉长、键能减小,因此拉曼峰向低频移动。这种紧密和均匀的碳包覆极大的促进了LiMnPO4/C的电化学性能,电化学测试结果显示,该材料在0.05C,0.1C,0.5C,1C,2C和5C(1C=171 mAg-1),的比容量分别为164 mAhg-1,158 mAhg-1,156 mAhg-1,143 mAhg-1,139 mAhg1和108 mAhg-1。在0.05 C倍率下,循环50次后,放电容量可以保持97%。当放电倍率增大到5C时,循环50次以后放电容量仍然可以保持80%。可见本文设计的方法合成的材料具有优异的倍率和循环性能。3.将合成LiMnPO4的方法拓展到合成MnO/C锂离子电池负极材料中。用锰盐/丙三醇形成的溶胶作为前驱物的简单方法合成纳米尺寸MnO/C,该样品中MnO纳米颗粒紧密的嵌在多孔的碳基质中。丙三醇试剂在反应中起到溶剂、螯合剂和碳源三种作用。XRD和拉曼测试结果表明碳层可能对MnO的微观结构产生了影响。第一原理密度泛函理论计算结果表明在MnO/C复合材料中电子从MnO体相向碳层转移,导致MnO的晶胞参数和Mn-O的键长减小。这些微观结构的变化可以改善MnO/C的电化学性能,以及解释MnO/C作为锂离子电池负极材料超过理论容量的现象。电化学测试结果显示MnO/C作为锂离子电池负极材料具有较大可逆容量,以及出色的倍率和循环性能。4.电解水制氧在多种能量转换和存储领域中是一项关键的技术,例如燃料电池,金属-空气电池和电解水等。这里我们首次提出橄榄石结构的LiNi1-xFexPO4@C(0≤x≤1)可以作为氧析出反应(OER)的高效催化剂。而且经过调整Ni/Fe的化学计量比,发现LiNi1-xFexPO4@C(3:1)是最佳OER催化剂配比。LiNi1-xFexPO4@C(3:1)催化剂的达到10mA/cm2电流密度时,所需要的过电位仅为311 mV,经过1000次循环后,催化性能基本没有衰减,而且催化活性优于商业化的参比样品Ru02和IrO2,可见橄榄石结构的LiNi1-xFexPO4/C具有优异的电催化OER活性。更重要的是,我们的工作为设计和合成多种功能材料提供了一个新的经济有效的策略。5.通过原位复合的方法将橄榄石结构的LiNi0.75Fe0.25PO4纳米材料紧密的锚定在氧化石墨烯上面形成LiNi0.75Fe0.25PO4/rGO复合物,将其用来作为OER催化剂。XANES结果显示石墨烯改变了材料表面过渡金属化合态,加快了OER反应的决速步骤。此外,石墨烯增加了材料导电性,还可以限制颗粒的增长,增大的材料的比表面积继而增加活性位点。在碱性电解液中对LiNi0.75Fe0.25PO4/rGO材料进行电催化测试,当电流密度达到10 mA·cm-2时所需要过电位为295 mV, Tafel斜率为47mV·dec-1,经过2000次循环材料催化活性并没有衰减。该样品催化性能要比参比样品Ru02和Ir02的性能好,而且在非贵金属材料催化剂中属于催化性能最好的梯队。本文的研究成果为设计经济和高效的电解水催化剂提供一个可行的思路。