作为一类新型功能复合材料,核壳结构纳米材料不仅实现了内核材料和壳材料的结合与互补,而且具有结构和化学成分的多样性及可调性,所以该设计概念逐渐被引入到能量存储、催化和隔热等领域。但作为一种未来新能源和环境领域的重要候选材料,目前核壳纳米材料的制备还局限于实验室小规模、不计成本的阶段,并且调控程度有限,合成壳厚均一、单分散的颗粒具有一定挑战性;另外,核壳结构对离子/电子传输、电化学反应、相变等的影响及机理还很不清晰。因此,本论文以核壳型纳米材料的制备、表征和能源方面的应用为研究对象,并进行了一些初级的机理分析和设计。材料体系选择了过渡金属氧化物、Al金属和La2Zr2O7,结合模板法、原位化学反应沉积法和粒子表面化学处理等技术,合成了可规模化生产的三类核壳结构,包括核壳紧贴型、半空型(蛋黄-蛋壳结构)和全空型纳米材料,并分别对其微观形貌、结构调控及功能化特性进行了系统的研究。在探索核壳紧贴型结构纳米材料的可控合成和性能优化方面,利用KMn O4与还原性碳球模板的原位氧化还原反应制备了C@MnO2核壳紧贴型结构。尽管获得了改善的电容性质,但距MnO2比容量的理论值仍有较大差距。因此在对MnO2充放电机理理解的基础上,本研究又设计并合成了尺寸小于10nm的MnO2@C核壳紧贴型结构。当扫描速率为1mV/s时,该材料的比容量达到1103F/g,5000次循环后容量保持率仍超过96%。另外,为发展核壳结构纳米材料在锂离子电池负极中的应用,本研究以Al为核心,在其表面合成能够同时传导Li+和电子的TiO2壳层,并在核-壳之间引入适当的空隙,制备出Al@TiO2蛋黄-蛋壳结构。电化学测试结果表明,其首次循环的可逆容量为1237 mAh/g,并且在1C倍率下的容量可稳定在1170 mAh/g,平均库伦效率约为99.2%,平均每次循环容量衰减小于0.01%;在10C倍率下的可逆容量达到690 mAh/g。为进一步得到全空型核壳结构纳米材料,本研究以有机碳球为模板,制备了具有多级孔结构和高比表面积的Co3O4空心球,并通过对碳球模板酸处理或碱处理,实现了空心球球壳厚度和孔结构的调节,获得了优异的催化CH4燃烧的活性和催化稳定性。为证明这种制备陶瓷空心球技术的普适性,本研究还利用同样的方法制备出TiO2-Ag空心结构,并表征了其光催化性能。最后,在核壳结构纳米粉体合成的基础上,发展一种两步煅烧工艺,成功地制备超低热导率(0.016Wm-1K-1)、超高强度(251.3MPa)和良好的热稳定性(1400oC)的空心晶粒La2Zr2O7高强度超级隔热材料和优异催化性能的多级孔结构的Co3O4蜂窝结构块体。