上世纪九十年代,随着介孔氧化硅的发现,介孔材料逐渐走进人们的视野。并因其较大的孔径、规则的介孔孔道、较高的比表面积等优势,介孔材料引起了研究者们的广泛关注。目前,科学工作者们已经开发了诸多方法来制备具有介观结构的氧化硅纳米材料。然而,介观结构非硅基纳米材料的设计合成依然面临着巨大的挑战。这主要是因为,与易于调控的氧化硅基前驱物(比如水中的正硅酸四乙酯TEOS)相比,非硅基前驱物(尤其是金属醇盐)的水解、缩合过程是极难控制的。因此,设计合成在能源转换与储存、光电响应、催化、吸附与分离等领域具有巨大应用价值的介孔金属氧化物及其复合纳米材料更具备挑战性。本论文主要是围绕介孔金属氧化物及其复合纳米材料的制备展开,提出了三种简单、温和、可控的合成策略:一是通过“螯合”诱导协同自组装策略,设计合成了一系列具有稳定介孔结构的金属氢氧化物MMHO和氧化物MMO纳米球:二是通过温和的“一锅”水热法,制备了多级结构的介孔氧化物微球;三是通过简单的原位“自牺牲”模板法,制备了富含缺陷的介孔金属氧化物与金属有机框架的复合材料。本论文主要取得了以下研究成果:1.提出了一种“螯合”诱导协同自组装策略,利用阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为介孔模板剂、与金属离子之间具有螯合作用的柠檬酸/抗坏血酸配体作为共模板剂,成功地制备了具有可调粒径、较高BET比表面积以及不同孔径尺寸的一系列介孔金属氢氧化物(MMHO包括Cu(OH)2、Zn(OH)2、Fe(OH)3、Ni(OH)2)纳米球和氧化物(MMO 包括 CuO、ZnO、Fe2O3、NiO)纳米球及其复合材料。通过改变乙醇的体积分数,可以调变介孔金属氢氧化物纳米球的粒径。不同温度下得到的介孔ZnO纳米球,具有良好的光电流响应性能;热处理后的Cu(OH)2纳米球,在电解水析氧反应的电催化应用中,也表现出了低成本、高活性的优势。这种“螯合”诱导协同自组装合成策略,不仅可以代替介孔金属氢氧化物和氧化物纳米材料的传统制备方法,在某些情况下甚至是唯一可行的合成路线。2.利用简单的“一锅”水热法,成功制备了多级结构的介孔Ni(OH)2和NiO微球。制备的NiO微球不仅具有大量的介孔孔道、高的比表面积,同时还具有二维纳米片次级结构组成的外壳,这些结构特征有益于质量/电荷传输,并增加了电解质的接触面积。通过改变合成体系中碱(六次甲基四胺HMTA)与金属离子的摩尔比HMTA/Ni2+,可以进一步调控纳米片状外壳的厚度(0至35nm)。与先前报道的镍基材料相比,我们合成的NiO-300/r=2微球对电解水析氧反应(OER)表现出了良好的电催化活性(360 mV的过电势就可以达到10 mA Cm-2的电流密度)。此外,通过向合成体系中引入钻元素,我们成功制备了钴镍复合氧化物微球。由于钴镍离子的协同效应,复合材料的电催化活性得到了显著的提高(340mV的过电势就可以达到10mA cm-2的电流密度)。通过简单的“一锅”水热合成方法,制备得到的多级介孔氧化镍微球及其优异的OER电催化活性为镍基材料在电解水方面的应用,提供了更多的可能性。3.通过简单的原位“自牺牲”模板方法,成功将介孔结构的金属氧化物纳米粒子与微孔结构的金属有机骨架材料(MOFs)相结合,设计并合成了富含大量缺陷活性位点的核-壳结构ZnO@ZIF-8复合纳米材料。通过改变体系中水的体积分数,我们可以进一步调变ZIF-8外壳的骨架缺陷含量、结晶度以及厚度。这种原位“自牺牲”模板方法会诱发体系中锌离子的不足,使ZIF-8骨架中出现大量有序排列的裸露氮原子,骨架结构产生扭曲,进而形成了复合材料的缺陷活性位点。与单独的ZnO纳米粒子相比,富含缺陷活性位点的ZnO@ZIF-8复合纳米材料表现出了更加优异的光电流响应(增幅高达348%)。复合材料表现出的光电化学优势,主要是由于以下两个方面引起的:(1)一方面ZIF-8外壳内大量微孔会富集氢离子,增加电解质的接触面积。(2)另一方面其骨架内未配位的氮原子与水分子之间会有氢键相互作用形成质子传输通道,有利于氢离子与氧化锌产生的导带电子之间发生反应,促进光生电子传输的同时,有效地抑制了光生电子与空穴之间的复合反应,从而提升了材料的光电流响应性能。利用原位“自牺牲”模板法制备的这类富含缺陷的复合纳米材料及其优良的光电响应,不仅可以激发研究者们合成更多新颖的氧化锌电极材料,对MOFs缺陷化学的理解也具有重要的指导意义。