锂离子电池（LIB）因为环保，能量密度高的优点受到了广泛的关注，其在新能源领域也取得了一定的成功，但是目前LIB负极材料的比容量和电化学性能已经无法满足市场的实际需求，因此亟需开发新型高性能电极材料。近年来，中空纳米材料由于其特殊结构所带来的具有丰富的电化学活性位点，有效促进电荷传输等优良特性，在能量存储转化方面展现出具有改善电化学性能的巨大潜力而受到了广泛关注。金属有机框架（MOF）是一类新型无机—有机杂化金属配位多孔材料，其结构、组分多样且可调控性强和价格低廉的特点，为合成新型中空结构纳米材料提供了很大的发展空间，并且合成的中空纳米材料还可以通过调控热解气氛调控其组成，这些多变性在其他材料中很难实现，因此用MOF合成中空纳米材料受到很多研究者的青睐。本文以金属有机框架化合物（MOF）和氧化石墨烯（GO）为前驱体，通过调控制备了一系列中空材料，将基于Fe2O3的复合材料作为LIB负极进行电化学性能研究，研究的主要内容如下：
　　（1）用一种简单的过量金属离子诱导共沉淀的策略可控合成一系列尺寸超小的MOF材料普鲁士蓝（PB）/普鲁士蓝类似物（PBA）和氧化石墨烯（GO）的复合物（MOF/GO），包括PB/GO，Ni–NiPBA/GO，Ni–FePBA/GO,Fe–Co PBA/GO和FeNi–Co PBA/GO。在此基础上，以PB/GO为前驱体，制备一种结构特殊的三维石墨烯（3DG）和中空Fe2O3的复合材料（H-Fe2O3/3DG），其中具有中空结构的Fe2O3纳米颗粒（尺寸45nm）镶嵌在三维石墨烯骨架中，减少了石墨烯的堆叠进而增大活性面积，促进电荷的高效传输，此外Fe2O3因其中空结构的特性，可以提供更多的电化学活性位点，加快离子扩散速度并有效释放机械应力，提高电化学性能。因此H-Fe2O3/3DG作为LIB负极，在0.2Ag-1的电流密度下进行120圈充放电循环后，比容量仍保持在1098mAh g-1；在5A g-1的高电流密度下进行了1000圈充放电循环后，容量保持率高达96.7％，仍有680mAh g-1的比容量，展现出了优异的储锂性能。
　　（2）利用MOF/GO作为前驱体，用微波辐射代替传统加热，为石墨烯迅速创造一个高能量的环境，将MOF迅速分解得到分散性良好的超小型核壳结构纳米颗粒，而不是聚集在一起的金属和碳复合物的颗粒。然后利用课题组首次提出的壳约束的Kirkendall扩散的方法，在反应过程中碳壳不仅为化学反应提供了反应场所还同时起到空间限制的作用，成功制备了一系列尺寸小于20nm，壳厚度小于3nm的超小型中空纳米材料，其中包括中空金属氧化物Fe2O3，NiO，FeNiOx，FeCoOx和FeCoNiOx，中空硫化物FeS2和中空磷化物FeP。此外，与其他以MOF为前驱体制备的中空材料相比，本方法合成的中空纳米材料不仅不再受限于化学计量的限制，可以合成多金属化合物而且其颗粒直径最小。这为电化学储能和其他领域提供了更多具有潜力的超小型中空纳米材料，也为开发新型中空纳米材料提供了一种新颖的思路。
　　（3）以PB/GO为前驱体，将用微波辐射和壳约束Kirkendall扩散的策略制备的超小型中空Fe2O3/石墨烯的复合材料（S-H-Fe2O3/RGO，中空Fe2O3直径约为18nm）以及用传统热处理制备的L-H-Fe2O3/RGO（中空Fe2O3的直径约为50nm）和Fe2O3/RGO（实心Fe2O3的直径约为50nm）作为自支撑柔性薄膜电极应用于LIB负极，测试它们的储锂性能并进一步通过动力学分析和有限元仿真模拟对不同尺寸和结构对电化学性能的影响进行了研究讨论。S-H-Fe2O3和L-H-Fe2O3，Fe2O3相比，其超小型中空结构在充/放电过程中可以促进更快的电荷传输并暴露更多的活性位点，更有效地适应体积变化释放机械应力，因此展现了最卓越的储锂性能，包括超高可逆容量（0.2Ag-1时为1167mAhg-1），出色的倍率性能（5Ag-1时为706mAhg-1）和出色的循环稳定性（循环1200圈后容量保持率仍有97.8%）。这表明制备的超小型中空纳米材料十分有潜力成为下一代新型电极材料。