纳米结构材料是指由低维纳米材料作为结构单元,按照一定规律排列组合所得到的具有独特结构的新型材料。由于其独特的物理化学性质,纳米结构材料已经成为目前材料领域研究新热点,特别是金属衬底表面原位生长的纳米结构材料,其独特的结构使其具有比表面积大、机械强度高、利于电子和离子迁移等优点,被认为是解决下一代能量储存和转换装置电极材料的理想选择之一。然而,现今在金属衬底表面原位生长纳米结构材料主要是集中于气相沉积、模板法等条件苛刻的方法,极大的加剧了其生产成本。因此,本文主要通过开发简单通用的合成手段来实现金属衬底表面纳米结构的生长组装,并测试其作为燃料电池的催化电极、电化学电容器和锂离子电池电极材料的性能,主要研究内容如下:利用化学热解法在Ti板表面一步制备出碳包覆TiO2纳米棒阵列(C@TiO2),并以此纳米棒阵列作为三维导电骨架,利用简单的电势阶跃法将Pd成功负载到纳米棒上,通过调变电沉积参数,分别制备出了Pd纳米颗粒分散于C@TiO2纳米棒(PdNP-C@TiO2)和Pd纳米薄膜包覆于C@TiO2纳米棒(PdNF-C@TiO2)两种不同形貌结构的三维电极,考察了 Pd NP-C@TiO2对NaBH4电氧化的催化性能和Pd NF-C@TiO2电极在酸性体系下催化H202还原性能,发现Pd NP-C@TiO2三维电极催化对NaBH4电氧化反应的催化活性是碳负载Pd纳米颗粒的5倍,而Pd NF-C@TiO2电极催化H2O2电还原的活性显著高于商业Pd/C电极,在相同的测试条件下,PdNF-C@TiO2电极的电流密度可以达到1.17 A·mg-1,而商业Pd/C电极只有0.09 A·mg-1;利用化学热解法在Ti6A14V表面一步生长制备碳包覆TiC纳米棒阵列(C@TiC),并以此纳米棒阵列作为三维导电骨架,通过简单的恒电流电沉积方法在纳米棒表面沉积出过渡金属金属颗粒,然后利用原位诱导生长法,将过渡金属颗粒转化为金属氧化物-金属复合纳米结构,最终制备出一系列类似试管刷结构的三维电极,包括NiO@Ni的纳米薄片以及Fe3O4@Fe纳米线。对其生长机理进行了初步探究,认为在制备过程中,氢气的析出是造成形貌的形成的主要原因。分别测试了 NiO@Ni-C@TiC电极的电容性能和Fe3O4@Fe-C@TiC电极的储锂性能,发现NiO@Ni-C@TiC电极在100 A·g-1的充放电电流循环500圈后其比电容能仍能维持在811.1 F·g-1,是目前文献报导的NiO比电容的最高值。Fe3O4@Fe-C@TiC电极作为锂离子电池负极也表现出优异的倍率性能和高的比容量,在50 C放电,其比容量达到100 mAh·g-1,1C循环100圈,其容量保持率在93.9%,显示了良好的循环性能;通过改变反应溶剂中乙醇和水的比例,实现了对生长在泡沫镍基体表面上的Co3O4材料进行形貌调变,发现在溶剂热过程中,乙醇作为反应物参与了Co3O4前驱体的形成过程,从而起到了改变形貌的作用。测试了所制备Co3O4材料在碱性介质中催化H2O2电还原性能,发现其催化性能明显优于目前文献报导中过渡金属氧化物的性能;在此基础之上,利用水热法在泡沫镍表面首次制备了(Co,Mn)3O4纳米线,测试结果显示其催化性能明显优于相同条件下的Co3O4纳米线,初步提出了一种H2O2在过渡金属氧化物上的化学反应和电化学反应耦合机制,认为Co与Mn的电负性的不同是导致其催化性能的差异主要原因;最后,利用简单的电沉积方法,实现了在泡沫镍基体表面成功制备出Co3O4和NiCo2O4纳米片,大大简化了制备方法,并有利于规模化制备廉价H202基燃料电池催化电极。利用氢气模板法在泡沫镍基体表面沉积出一层多孔Ni层,然后通过自化学置换法对多孔Ni层表面进行了Pd元素修饰,制备出了三维开放式多孔网状电极(Pd-porousNi/Ni foam),测试了电极催化NaBH4电氧化性能,结果显示Pd-porous Ni/Ni foam电极的催化性能是Pd NP-C@TiO2电极的4倍左右,NaBH4在Pd-porous Ni/Ni foam电极上电氧化反应的转移电子数为6.6,表明此电极上NaBH4具有较高的利用率。