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近年来大量研究发现由低维纳米结构组成的具有三维分级结构的金属氧化物纳米材料与纳米尺度组成单元相比通常表现出结构增强的物理化学性能和极其重要的潜在应用,特别是在能源存储与转换、光催化、气体传感器、水处理等领域。此外,大量理论计算和实验研究表明晶体材料的催化活性与选择性、气敏性和Li+嵌入/脱出速率等与其暴露出的高表面能晶面密切相关。晶体材料的高能晶面通常为高活性面,与低能面相比,高能面能够表现出表面增强的化学活性,如优异的催化活性。由此可见,可控制备复杂三维分级结构的金属氧化物纳米材料和高能晶面大量暴露的微/纳米晶有望显著提高材料的性能。近年来随着各种材料制备方法被开发,在可控合成三维分级结构无机纳米材料和高能面暴露的晶体材料方面已经取得重大进展,但仍存在一些重要问题有待解决：如开发一种简单的液相合成方法可以同时实现具有复杂三维分级结构和暴露特殊高能面的无机微/纳米材料的可控合成。此外,深入探讨三维分级结构金属氧化物纳米材料和高能面裸露的微/纳米晶的形成机理以及研究与微结构/高能面相关的物理化学性能,不仅有望实现材料的可设计性合成还可以获得高性能材料。为了合成复杂三维分级结构以及裸露特殊高能晶面的金属氧化物纳米材料,研究其形成机理以及相关应用,本文以水热条件下两相界面反应法进行金属氧化物纳米材料的形貌和暴露晶面可控合成；采取X射线衍射(XRD)、穆斯堡尔谱、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、选取电子衍射(SAED)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、振动样品磁强计(VSM)以及比表面积分析仪等多种分析测试仪器对产物的组分、形貌、三维分级结构组装方式、暴露晶面取向、比表面积和孔径分布以及磁性能等进行了表征与分析。利用电化学工作站和电容量测试仪对电极材料进行相关电化学性能测试以及利用紫外-可见分光光度法对目标污染物浓度变化进行分析。通过相关研究得到如下主要结果：1.以乙酰丙酮铁[Fe(acac)3]为Fe源,利用水热条件下两相界面反应法为合成方法,通过调节各项反应参数,制备了多种形貌的三维分级a-Fe2O3微结构。(1)当NaOH为碱源,通过添加0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)获得由纳米多面体组成的榴莲状α-Fe2O3前驱物(组分为α-FeOOH和α-Fe2O3的混合相)空心球。当不加PVP时只得到由纳米颗粒聚集成的实心球。随着反应时间的延长,前驱物依次经历实心球→分级核-壳结构→分级空心球的形貌转变,由此推断Ostwald熟化原理是导致该分级榴莲状空心球的形成原因。空气中再煅烧前驱物得到尺度和形貌不变的纯相α-Fe2O3。(2)将NaOH替换成尿素,PVP用量为1.0g,通过一步苯-水两相界面反应制得由纳米棒束组成的花状α-Fe2O3微结构。如果不加PVP,只得到少量纳米棒和大量纳米颗粒,当PVP的含量不超过0.5g时,产物为纳米棒构成的花状结构。根据产物形貌随反应时间变化规律推断Ostwald熟化效应导致该特殊三维分级结构的产生,其中1.0g PVP在纳米棒束组成单元的形成过程中可能起到晶面生长抑制剂的作用,通过对特定晶面的选择性吸附有效抑制晶体沿[110]晶向做外延生长,并诱导晶体沿[001]晶向各向异性生长成纳米棒；同时PVP还起到“粘结剂”的作用,通过范德华力作用诱导侧面吸附有PVP分子的纳米棒聚集成纳米棒束。(3)以氨水为碱源,通过一步甲苯-水两相界面反应制备由大量纳米颗粒聚集而成的花蕾组成的菜花状α-Fe2O3微结构,其中2.0g PVP起到类似的晶面生长抑制剂和“粘结剂”的作用导致该纳米组成单元的产生。菜花状α-Fe2O3微结构的比表面积和孔体积分别为31.6m2g-1和0.134cm3g-1,在3.3nm和41nm为中心存在双孔径分布。2.以Fe(acac)3为Fe源,水合肼同时用作还原剂和碱源,控制甲苯中油酸(C17H33COOH)含量在1-2mL,通过一步甲苯-水两相界面反应制备出大量完全由{110}高能面组成的单分散菱形十二面体Fe304纳米单晶。FT-IR分析表明C17H33COO-可能在Fe304晶体生长初始阶段选择性吸附在{110}高能面,导致该高能面表面能降低、生长速率减慢并最终完全暴露。调节Fe(acac)3的浓度在0.025-0.035M和水合肼的加入量在10-15mL,单分散菱形十二面体纳米晶的平均边长可以控制在60-100nm之间。室温磁测量表明所得单分散菱形十二面体Fe304纳米晶的饱和磁化强度达到85emu/g。3.以钛酸四丁酯[Ti(C4H9O)4, TBT]为Ti源,通过一步甲苯-水两相界面反应制备出82%{001}高能面暴露的超薄单晶锐钛矿Ti02纳米片。这些纳米片沿[001]方向平均厚度约10nm,边长约92nm。高浓度的HCl(浓盐酸和去离子水的体积比达到9：1时)一方面抑制TBT的快速水解,另一方面可能起到{001}晶面稳定剂的作用,通过对该高能面的选择性吸附有效降低其表面能。存在两相界面反应(有机相可以是甲苯、正己烷或环己烷)、保持浓盐酸和去离子水的体积比不低于8.5：1.5以及控制反应时间不低于5h被证明是产生{001}高能面暴露锐钛矿Ti02纳米片的关键条件。4.菜花状α-Fe2O3微结构用作吸附剂表现出对刚果红、Cr(VI)和Pb(II)离子理想的吸附性能和良好的循环使用性,相应的最大吸附量分别为71.6mg g-1、17.6mg g-’和32.5mg g-1。在可见光激发下和H202存在时,菜花状α-Fe2O3微结构还表现出明显的可见光催化活性,原因可能由于发生Fenton反应产生氧化性极强的-OH自由基。相同光照时间内菜花状α-Fe2O3微结构几乎可以完全催化降解罗丹明B (RhB)染料,而商业α-Fe2O3颗粒的光催化降解效率只有40%。5.菱形十二面体Fe304纳米晶用作模拟过氧化物酶在H202存在时表现出增强的类酶催化活性和优异的重复使用性能。其催化氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)底物单位比表面积相对活性分别是Fe304纳米球和商业Fe304粉体的2.3和7.6倍；催化亚甲基蓝(MB)降解单位比表面积去除效率分别是Fe304纳米球和商业Fe304粉体的5.6和5.9倍。用作锂离子电池负极材料在0.2C(1C=1000mAhg-1)充电倍率下,首次放电容量为1127mAhg-1,经100次循环后放电容量保持在362mAhg-1,明显高于相同测试条件下商业Fe304粉体的放电容量(118mAhg-1);在1C充电倍率下经130次循环后可以释放的放电容量保持在191mAhg-1;此外在0.2-4C倍率电流下连续充／放电,菱形十二面体Fe304纳米晶表现出相比商业Fe304粉体更好的倍率放电稳定性,特别是在高倍率充电电流下。6.82%{001}高能面裸露的超薄锐钛矿TiO2纳米片用作锂离子电池负极材料在高倍率充电电流下表现出优异的循环性能和电容量保持能力：在充电倍率分别为1和10C (1C=170mAhg-1)时,100次充/放电循环后释放的放电容量可以分别保持在143.6和101.9mAh g-1。相同测试条件下,商业P25TiO2纳米颗粒在1和10C倍率电流下经100次循环后的放电容量分别只有107.4和32.3mAhg-1。在1C倍率充电电流下,该锐钛矿TiO2纳米片电极首次不可逆电容量损失只有12.5%,10次充/放电循环后库伦效率保持98%以上。另外,在0.2-10C电流下连续充电该电极还可以保持良好的倍率放电稳定性。锐钛矿TiO2纳米片沿[001]方向超薄特性和大面积暴露的{001}高能面导致该电极表现出优良的电化学性能。