随着科技的快速发展,人类社会面临的环境污染和能源危机是丞待解决的两大难题。因此研究者们致力于寻找清洁且可持续的绿色能源代替化石燃料。氢能具有化石燃料和其他新能源无法比拟的优势:可储存、用途广泛、持续可再生和绿色环保。其中水电解制氢是目前最有效也是商业化应用最广泛的制氢方法之一。电解水的两个半反应,析氢反应（HER）和析氧反应（OER）都需要高效的电催化剂来加快反应速率。锌空气电池作为一种新能源形式,以其理论容量高等优势成为目前的研究热点,其中氧还原反应（ORR）和析氧反应控制着电池的放电和充电效率,而提高锌空气电池的性能表现同样需要高效的电催化剂来提升反应活性。贵金属Pt和IrO2被认为是HER、OER和ORR高活性的电催化剂材料,但因其高昂的价格和稀缺性阻碍了它们在工业上的大规模应用。因此寻找开发一种低成本、催化活性高且耐久性好的电催化剂是目前研究重点之一。研究者们发现Ru基纳米材料成本较Pt基和Ir基材料低、性能优异且稳定性好,可有效提高催化反应的活性。但目前Ru基纳米材料仍存在适用范围受限、活性中心不明确、反应机理模糊等问题。因此,本论文以提升Ru基电催化剂的性能为目的,旨在明确催化剂结构和电荷转移与电催化性能之间的构效关系,探索其内在反应机理。主要研究内容如下:（1）使用冷凝回流法和热解法制备了 Ru纳米颗粒电催化剂Ru-O/C-600,通过改变热解温度,研究在Ru纳米颗粒晶相转变过程中纳米颗粒的粒径和在氧掺杂碳基底的分散度的变化,及对HER活性的影响。合成的Ru-O/C-600有着优异的HER性能,仅需32 mV的过电位即可达到10 mA cm-2的电流密度。结构表征和性能测试表明Ru纳米颗粒粒径、分散度以及Ru-O键的形成对增强材料HER活性具有显著的积极作用。这将为能源转换和存储领域高效电催化剂的设计和构建提供一个新的思路。（2）通过水热法和热解法合成了具有核壳结构的RuNP@RuNx-OFC/NC电催化剂,其催化活性主要由内部Ru纳米颗粒和类富勒烯碳壳上镶嵌的Ru单原子共同贡献。催化剂在酸性和碱性介质中均表现出良好的HER活性,在0.5 M H2SO4和1 MKOH环境中只需要10和19 mV的过电位,即可达到10 mA cm-2电流密度,超过了广泛应用的商业化Pt/C。在大电流输出条件下,RuNP@RuNx-OFC/NC可以在酸性和碱性介质中,仅需380和345 mV的过电位,即可提供3000mA cm-2的电流密度。并且在以RuNP@RuNx-OFC/NC和商用IrO2为阴极和阳极的双电极全解水系统中只需1.337和1.615 V的外加电压即可达到10和100 mA cm-2电流密度,优于商用Pt/C（1.437和1.708 V）。实验和DFT计算结果表明,在核壳结构的RuNP@RuNx-OFC/NC电催化剂中,Ru纳米颗粒和Ru单原子间存在着电荷转移,增大了 Ru单原子的电荷密度,从而有利于水分子的吸附,提高了 HER过程的电催化活性。本工作为设计和调控电催化剂的电子结构提供了一个新的平台。（3）通过简易水热法和热解法制备了一种嵌在氮掺杂石墨碳基体上的碳包覆Ru和FeRu合金杂化材料Ru-FeRu@C/NC。研究发现,Ru和FeRu界面电荷转移提升了其在HER、OER和ORR的反应活性。在碱性条件下,当电流密度达到10 mA cm-2时,HER和OER的过电位分别仅为23 mV和345 mV,全解水测试只需要1.63 V的外加电压。Ru-FeRu@C/NC半波电位（E1/2）为0.90 V,有着优异的ORR性能,用其作为锌空气电池的电极催化剂可提供的最大输出功率密度为157.38 mW cm-2。此外,利用Ru-FeRu@C/NC作为“一体式”电催化剂,成功制备了锌空气电池驱动的全解水电解池,具有实际应用潜力。这为通过界面电子结构调控提高催化活性,开发新型多功能电催化剂提供了新的途径。