全球经济社会正面向控制环境污染、实现低碳发展转型,能源结构也需紧跟清洁化、低碳化的时代潮流,高效推动技术创新与变革。电化学能量存储与转化技术是可再生清洁能源高效、环保利用的关键,其开发与应用可有效缓解世界能源危机。电化学电源是能源存储与转换的重要工具,其中兼具能量密度高、循环寿命长和环境友好优势的锂离子电池在便携式电子设备和新能源汽车等领域已进入快速应用发展阶段,开发新型兼具高容量和长循环使役性能的锂离子电池负极材料具有重要的战略意义。活性材料的组成结构和功能性质的调控是高性能锂离子电池电极材料构筑的关键,对增强电极材料的反应动力学及结构稳定性至关重要。此外,氢能作为高能量密度、零污染的二次能源,是构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的重要组成部分。电解水是绿色、可持续制氢的关键技术,电催化剂对降低反应过电势、提高能量转化效率至关重要。针对目前高效贵金属铂基催化剂的储量稀少、价格高昂等问题,低成本、高活性利用率的高效析氢电催化剂的开发研究意义深远。基于以上,本论文以高效锂离子电池负极材料和析氢电催化剂构筑及应用为主题,以改善纳米材料的荷质转移、电子传输、催化活性和结构稳定性为目标,构筑了一系列钼基纳米复合物,实现了材料组分、结构及表面化学性质的优化,揭示了材料微观结构与性能的内在规律。具体研究内容如下:提出了一种多元协同共掺杂显著改善负极材料储锂性能的新思路,基于金属有机骨架有机配体的纳米限域碳化与金属离子的同步原位化学转化,以金属有机骨架为模板成功制备了 MoO2-Cu@PC和Mo0.8W0.2O2-Cu@PC纳米复合电极材料。MoO2-Cu@PC结构中三维碳基体有效阻止了活性二氧化钼的团聚粉化,金属铜嵌入碳基体中形成了高导电网络,成为活性物质在循环过程中缓冲体积应变的理想物理屏障,在1 Ag-1电流密度下可稳定循环200圈,在10 A g-1下仍有370 mA h g-1的比容量。Mo0.8W0.2O2-Cu@PC结构中Mo0.8W0.2O2氧化物固溶体的引入进一步改善了锂离子传输动力学,W掺杂有效提高了锂离子扩散速率,加快了 MoO2活性物质转化;导电Cu金属颗粒镶嵌的三维纳米碳框架增强了材料整体导电性与结构稳定性。作为锂离子电池负极材料,在2 A g-1和5 A g-1高倍率下可稳定循环2000圈,体积比容量达2390 mA h cm-3,是石墨类负极材料的2-3倍。通过原位自组装策略构筑了η-MoC/MXene/C纳米复合电极材料,MXene的引入对于提高电极导电性、锚定活性纳米颗粒及加速锂储存行为至关重要。高导电性、高密度、高储锂容量的η-MoC纳米颗粒与MXene、PVP衍生碳间的协同作用有效加速了电化学反应进程,实现了快速稳定的锂储存过程。用MXene代替乙炔黑作为电极导电添加剂,使电极导电性更高,电极膜厚度更薄,氧化还原转换机制更快。在10 Ag-1和20Ag-1高倍率下的容量保持率提高了 37～40%,在10 A g-1下可稳定循环5500次,体积容量有1560mA hcm-3。以金属有机骨架封装的多金属氧酸盐为前驱体,构筑了 Pt单原子负载在三维碳基体支撑的Mo2C纳米颗粒上的Pt1-Mo2C-C复合结构。结构中Pt的单原子分散状态有效提高了贵金属原子利用率,单原子Pt与Mo2C间的相互作用对于促进活性中心有效利用、水分子吸附活化以及加速电子迁移至关重要。在电催化析氢反应中,Pt1-Mo2C-C在1 mol L-1 KOH中10 mA cm-2下的过电位仅为155 mV,质量活性达商业化Pt-C的7倍。此碳化钼负载贵金属单原子催化剂的构筑策略具有一定普适性,制备的Ru1-MoC-C催化剂起始电位仅为4 mV,在10 mA cm-2下过电位仅为100 mV,质量比活性达Pt-C的40倍。基于二维富缺陷碳材料分散锚固纳米颗粒的强效用,提出了一种小尺寸碳化钼纳米颗粒负载贵金属单原子的普适性构筑策略,通过高温碳化实现了在氮掺杂导电碳片上的MoC纳米颗粒负载Ru单原子的Ru1-MoC-NC结构。结构中氮掺杂碳基体在保证碳化钼纳米颗粒均匀分散的同时,加快了电荷转移和传质进程;单原子分散的Ru显著提高了贵金属利用率,且Ru与MoC间的电子相互作用有效提高了水吸附和活化能力,优化了氢吸附强度。在电催化析氢反应中,Ru1-MoC-NC在1 mol L-1 KOH中的起始电位仅为2 mV,在10 mA cm-2下的过电位仅为78 mV,质量比活性达商业化Pt-C的15倍。同时,Ru原子和MoC强相互作用也在一定程度上提高了催化剂稳定性。