环境污染与能源危机不断促使可再生能源以及高效电化学储能转换装置的高速发展。能量转换（如电解水）与储存（如先进电池和超级电容器）器件的发展对于缓解环境与能源问题至关重要。碳材料及其复合材料具有比表面积高、导电性好、成本低等优点,在能量储存与转化器件中具有广泛应用。在氧化物/碳复合材料中,氧化物颗粒尺寸的控制以及颗粒分布的调控是提升复合材料电化学性能的关键。本论文通过海藻酸钠形成的独特“蛋盒”结构的空间束缚以及碳纳米管管壁活性位点的原位生长,有效地控制氧化物颗粒的尺寸,使氧化物颗粒分布均匀。所合成的氧化物/碳纳米复合材料在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器以及催化析氧反应中展示出了优良的电化学性能,同时探讨了氧化物/碳纳米复合材料的储锂/钠机理和电催化机理。主要结果如下:（1）利用海藻酸钠与二价镍离子的自发交联反应,得到了NiO/C复合材料。NiO/C复合材料具有分级多孔的碳基体结构,大量尺寸约为5 nm的NiO颗粒均匀分布于其中。纳米级的颗粒尺寸有利于增加材料的活性表面积,缩短电解液的扩散距离。分级多孔碳基体与NiO颗粒均匀而牢固地复合在一起,有效地缓解了NiO颗粒在电化学反应中体积膨胀带来的应力。在制备过程中,Ni颗粒对周围的碳基体具有催化石墨化的作用,进一步提升提高电解液离子和电子的传输速度。将NiO/C复合材料应用于在锂离子电池和钠离子电池负极中,在0.1A/g下分别表现出608.2 mAh/g和299.7 mAh/g的高比容量,并且表现出较为优异的稳定性。（2）通过不同预处理方式对比,证实利用Plasma氧等离子体轰击对碳纳米管布（CNTs-cloth）表面活化处理效果最佳。其在不损坏碳纳米管布宏观形态的同时有效地增加了其表面含氧官能团的含量。利用活化后碳纳米管布与二价镍离子水热反应、氧化反应,使得NiO在碳纳米管表面均匀的原位生长,得到了具有三维立体纳米花状结构的NiO/CNTs-cloth复合材料。将其应用于超级电容器中,获得了高比容量、高倍率特性及突出的循环稳定性。将NiO/CNTs-cloth复合材料应用于催化析氧反应中,展现出了优异的催化性能(在1 M KOH中η₁₀仅为0.269 V)。（3）通过NbCl₅与预处理后碳纳米管布的水热反应、碳化后,制备了具有自支撑特性的Nb₂O₅/CNTs-cloth复合材料。Nb₂O₅颗粒以纳米颗粒的形式均匀地附着于碳纳米管管壁。借助于碳纳米管布自支撑的特性,在电极制备过程中可避免粘结剂的使用,减小电极材料的极化电阻,提升电极材料电化学性能。对Nb₂O₅独特晶格结构的储能机理进行了探究。在0.1 A/g电流密度下,Nb₂O₅/CNTs-cloth复合材料在锂离子半电池中展现出135.3 mAh/g的比容量,在钠离子半电池中同样展示出129.5 mAh/g的比容量。同时研究了其在催化析氧反应中的性能,并通过电镀镍的方式对其催化析氧性能做出了改进,得益于镍与Nb₂O₅的协同作用,Ni-Nb₂O₅/CNTs-cloth展现出了良好的催化性能(在1 M KOH中η₁₀仅0.324 V)。综上所述,本文利用海藻酸钠的自主交联特性以及碳纳米管布的自支撑特性,制备了多种金属氧化物/碳复合材料。实现了氧化物颗粒在碳基复合材料中的颗粒尺寸及分布的控制,研究了它们在能量储存与转化器件中的性能及机理,为新型能量储存与转化材料提供了新的设计思路。