随着越发突出的环境问题以及清洁能源和电子设备的迅速发展,开发高效,绿色,安全,低廉的电化学储能系统已成为当前的研究热门。在电化学储能领域中,铁基材料备受人们的青睐,与其它镍元素,钴元素,锰元素,钒元素等相比较,铁元素不仅在大自然中含量丰富,而且具备无毒性和环境友好性。铁基纳米材料在水系电池、锂/钠离子电池中,都能表现出较优异的储能特性,尤其是在高容量电化学存储方面,使其在科学研究中具有极大的实际应用前景。但是,铁基纳米材料在储能过程中高容量的实现必然是基于Fe3+/Fe~0的3电子可逆氧化还原反应;电化学反应中多电子的转移会不可避免地引发相变转化,造成体积巨大膨胀和极化现象的产生,进而导致其容量快速衰退和循环稳定性恶化。如何巧妙地设计和制备出低成本、高容量和长使用寿命的铁基电极材料已成为了当前科学研究的挑战性问题。本论文采用低廉的前驱体和简单易行的实验步骤,得到了纳米铁基电极材料（Fe,Fe2N）,并对其电极材料形成机理进行了微观检测和讨论分析;进一步地,把Fe,Fe2N电极材料分别运用于水系电池和锂/钠离子电池体系中,并探究其潜在实用价值。主要研究内容如下:1.利用铁锈为原料制备的Fe2O3纳米球为前驱体,采用聚多巴胺均匀包覆在其表面（Fe2O3@PDA;PDA厚度大约为30 nm）。接着,在热处理过程中生成高膨化铁（?）碳纳米爆米花（Fe（?）C nanopopcorns）复合材料。不同煅烧温度下的探究实验揭示了该复合材料的形成机制,当温度为700 oC时,前驱体Fe2O3被还原成Fe,同时引起了类似爆炸的物化反应,使得紧密包覆的碳壳转化为相互交联的疏松状碳结构。当进行电化学能量储存研究时,该高膨化复合材料表现出优异的电化学性能,这主要归因于该材料具有较大的比表面积,高度疏松/开放性的结构和电子高导通特性。通过上述实验结果表明,该复合材料具备高容量,快速充放电,使用寿命长等特性,适宜水性电池深入研究与规模化应用。2.同样利用废铁锈合成的Fe2O3纳米球为原料,采用废弃塑料为碳源,仅通过一步简单的化学气相沉积（CVD）方法就能成功原位地合成Fe@C核壳纳米复合材料,并将其用作水系镍铁电池负极材料进行电化学性能研究。该复合材料具有以下两点优势:第一,比其它铁基材料相比较,金属单质Fe的理论比容量和电化学活性更高;第二,所形成的特殊核壳结构中,碳层能有效缓解内部活性物质Fe在反应过程中的体积膨胀效应,故在电化学测试中表现出较优异的能量存储性能。实验中所涉及的原料均为废弃物,不仅实现了废物回收利用降低环境污染,而且成功地实现了高性能水性负极材料的规模化制备。3.采用上述的Fe@C纳米复合物为原料,以廉价的尿素为氮源,在加热条件下原位制备了Fe2N@C核壳纳米复合材料。当其用于锂/钠离子电池负极材料时,复合材料中Fe2N内核本身具有较高的理论比容量和导电性,因此电极能表现出较高的可逆比容量和优异的倍率性能。此外,核壳结构中的碳层能充当物理屏障,有效地抑制反应过程中活性物的膨胀效应,同时保证了Fe2N在储锂/钠过程中的循环稳定性。为了证明该负极材料潜在的实际应用价值,我们分别选用廉价的锂电正极材料Li Fe PO4和钠电正极材料Na3V2（PO4）3@C组装成锂/钠离子全电池,并进一步进行电化学性能研究。