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近年来，随着石油资源的短缺和自然环境对清洁能源的需求，化学电源在智能电网的储能电源、混合动力车/电动车和便携式电子通信设备的移动电源等方面具有广泛和重要的应用。以石墨烯及其无机类似物为代表的二维材料的兴起为电化学能源与储存领域带来了新的机遇。较之于传统的块体材料，二维材料具有更大的比表面积、特殊的电子结构，并具有柔性、可加工性等特点，为基于电化学性能制约因素的导向性设计创造了条件。同时，二维材料可通过简单的方法与金属或金属氧化物复合，拓展其功能。综上所述，二维材料的研究将为碱金属二次电池的发展以及相关能源材料提供一个崭新的平台，对二维纳米材料结构和功能的设计将有望为碱金属二次电池领域的发展带来质的飞跃，并为解决未来的能源危机贡献力量。 本课题围绕新型的石墨烯和钼基二维材料，从三维微结构和功能性设计角度出发，进一步提高锂离子电池和锂（钠）空气电池的电化学性能。具体的研究内容如下: (1)基于石墨烯本征催化性能较差的问题，设计并使用一种简单高效的方法合成石墨烯负载高分散纳米铂颗粒的复合物。高比表面积的石墨烯材料能够为放电产物提供大量可利用的存储空间，表面复合的高分散纳米铂颗粒可以作为空气电极的催化剂，促进电化学反应的发生。当作为钠-氧气电池的正极材料时，制备的石墨烯负载高分散纳米铂材料虽然并没有明显降低电池的充电电压，但可以有效地提高电池的循环稳定性。论文系统分析了贵金属铂催化剂的催化机理和钠空气电池的电化学反应机制。 (2)针对钠空气电池循环过程中放电产物过度聚集降低放电产物分解的可逆性，导致电池电化学性能明显衰减的问题，避免了石墨烯空气电极繁琐的制备过程以及粘结剂对材料催化活性的影响，本论文采用简单的水热方法和改进的冷冻干燥技术成功制备了无粘结剂的泡沫镍自支撑三维氮掺杂石墨烯气凝胶。自支撑的氮掺杂石墨烯气凝胶不仅具有高比表面和氮掺杂量，其理想的三维连通孔结构也有助于气体和电解液的输运，为放电产物的沉积提供大量的空间。作为钠-氧气电池正极时，获得了理想的实际充放电比容量和稳定的循环性能。特别针对电池充放电过程中，氮掺杂三维石墨烯气凝胶在纳米尺度对放电产物均匀沉积的控制展开了深入探究。 (3)针对二维活性材料在二次锂离子电池中极易发生团聚而失效的问题，制备了二硫化钼超薄纳米片沿径向自组装的三维球型结构。径向组装的有序结构能促进电子、离子和物质的运输，同时稳定的三维结构有利于二维材料的实际应用。系统研究了这种三维结构的二硫化钼在锂离子电池中的充放电比容量、循环稳定性和倍率性能，深入分析了这种定向结构在长循环过程中的稳定性，并对电极嵌入脱出锂过程中的体积膨胀的影响进行了分析。 (4)针对二维过渡金属硫化物材料较差的本征催化能力，设计制备了具有高比表面积和晶格畸变特征的亚稳态硫化钼/硒化钼固溶体，并首次实现了金属硫化物体系对深度充放电锂空气电池的催化。基于二维金属硫化物形成的亚稳态固溶体不仅保留原有的层状结构，同时保留固溶体形成过程中的晶格畸变，显著提升了材料在锂空气电池中的催化活性。 (5)液相剥离三氧化钼纳米片后，通过部分还原的方法在其表面引入不同浓度的氧空位。系统研究了氧空位的浓度对三氧化钼材料在锂空气电池中催化性能的影响，同时以充放电过电势和循环性能为指标，深入分析氧化钼的最佳氧空位浓度。此外，在氧空位促进高浓度活性氧形成的基础上，证明富氧的过氧化锂放电产物在三氧化钼纳米片表面氧空位位点的可逆形成和分解，并对不同存在形式过氧化锂放电产物内部的自催化机理进行深入的分析。