随着社会的发展和科技的进步,人类生产和日常生活中越来越离不开化石能源,例如石油和煤。然而,化石能源毕竟储量有限,该资源的消耗量日益增大以及其大规模使用所带来的环境污染,迫使国内外研究组寻找出可持续发展的替代性清洁能源和性能稳定的能量存储系统。本文面向低能耗和低功耗制取无污染的清洁能源(氢气)以及发展快速充放电和高容量高循环稳定性的超级电容器电极,主要通过一系列合成手段得到界面有序组装的纳米材料(纳米阵列),并研究了对于特定材料其结构和电化学储能以及催化(析氢反应和析氧反应)性能的构效关系,具体研究内容和结论有以下几点：1.通过水热合成的方法制备了在泡沫镍基底上竖直排列的具有一维和二维结构的氧化镍以及氢氧化镍,并研究了其作为超级电容器电极时的储能性能。研究发现,该材料具有超高的比容量(>2000F儋),优异的倍率特性以及突出的循环稳定性。这种优异的储能性能被归结为其特殊的表面形态和结构：a.纳米阵列材料由于其直接生长在导电基底上,所以能满足电子的快速传导；b.竖直排列的纳米结构之间具有很多空隙,这能够大幅度提高材料的比表面积,同时也构成了电解液离子的传输通道,加速了材料界面的传质过程；c.纳米阵列材料又具有普通纳米粉体材料的特性,其某个或者多个维度的纳米尺寸将使得材料充分暴露在电解液中,提高材料的利用率。2.通过构筑双金属氢氧化物或者氧化物纳米阵列,并选择性刻蚀部分材料,可以得到高度多孔化的纳米阵列,同时其特殊的多孔结构也被证明能进一步提高其单位质量比电容和倍率特性。我们以钴铝水滑石为例,发现用高浓度的氢氧化钠溶液可以选择性溶解其中的铝部分,形成多孔化的钴的碱式碳酸盐纳米阵列,其比质量电容可大于1000F/g,远远超过了其前驱物(约400F/g)。3.通过多步合成的方法在原有的一级纳米阵列结构上继续生长二级的纳米阵列,从而形成多级纳米阵列结构,并用以解决一级纳米阵列材料负载量不足(<3mg/cm2)的问题。多级纳米阵列结构在维持了原有一级纳米阵列的优势的基础上,进一步提高了活性储能材料的单位面积负载量(～12 mg/cm2),大幅度提高其单位面积比电容(～24.9F/cm2),大大提高了其大规模应用的前景。此外,该种多级结构在镍锌电池中也具有潜在应用。4.发现了三维结构的纳米阵列在水下的超疏气性,从而使其作为电化学分解水电极具有快速的电流增长和稳定的工作状态。以二硫化钼材料为例,三维多孔纳米化的界面结构将显著降低其对于气泡的表面粘附力,并具有大于150度的气泡接触角。在电化学析氢反应(HER)测试中,三维多孔纳米化的表面具有极小的气泡脱离尺寸以及快速的脱气速度,使得其在一定过电位下的反应电流和反应稳定性上超过了具有最佳活性的铂碳催化剂,极具商业应用前景。另外,这种具有超疏气性质的电极可以拓展于析氧反应(OER)和水合肼氧化反应(HzOR)中。具有超疏气的NiFe-LDH阵列具有优异的OER性质(1.46V的起始电位和快速的电流增加速率),并优于商业的Ir/C催化剂。此外,具有超疏气的Cu纳米结构薄膜组装而成的直接肼燃料电池的功率密度是商业Pt/C催化剂的三倍。5.发展了一种有机相电化学调控的方法用以调控材料表面的电子结构,并相应提高材料的电化学催化活性。以商用锂离子电池正极材料钴酸锂(LiCoO2)为例,我们通过电化学调控的方法将其中的锂离子逐步脱出,得到半充锂的钴酸锂材料,其电化学析氧性能比之前提高了一个数量级,该结果显示了电化学调控方法的可行性。