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能源需求不断增长以及石油、煤炭等传统化石燃料日益枯竭正驱动科研工作者开发满足能源需求领域高要求的先进的能源转换和储存装置。燃料电池和水分解技术被认为是清洁可再生能源的核心能源转换系统。然而,这些新的能量转换装置的普及与利用,都需要高性能的催化剂来降低反应过程中的高能垒。目前,电催化反应过程中的高效电催化剂都是基于Pt、Ru和Ir等贵金属,然而贵金属催化剂稳定性差,成本高昂,大大限制了它们大规模商业化应用。因此,寻找廉价高效的电催化剂,降低生产成本,是实现能量转换技术大规模应用的关键。大量的研究表明,催化剂的活性与其组分、形貌、晶面、尺寸和表面结构等诸多因素密切相关,其中尤以组分和形貌最为重要。因此,合理设计并开发具有特定组分和形貌的催化剂,可实现纳米材料催化性能的有效提升,并为高性能电催化剂的构筑提供可靠的实验技术和详实的理论基础。鉴于以上原因,本论文针对目前贵金属催化剂成本高、活性位点利用率低及稳定性不足的难题,采用合金策略、形貌调控、载体支撑等方法,合成低成本且高效的纳米催化材料,将其应用于乙二醇氧化和水分解中,研究它们的电催化性能。具体内容如下:1.采用一步水热合成法制备了一系列具有独特凹面立方体结构的PtSn纳米催化剂,该催化剂的成功制备不仅大大节约了贵金属铂的用量,同时优化了金属铂表面的电子结构,增强了铂、锡金属之间的电子效应,降低了COads在Pt表面的吸附能。最重要的是,Pt与Sn之间的协同作用可有效地改善碱性介质中对乙二醇的催化氧化活性及稳定性。特别是Pt4Sn1凹面纳米立方体,其乙二醇氧化反应（EGOR）质量活性高达5.7 A mg-1,面积活性为11.5 mA cm-2,分别是商业Pt/C的5.1和5.9倍,是目前报道的铂基乙二醇氧化反应催化剂中活性最高的纳米材料之一,为实现通过掺杂非贵金属减少铂含量以降低催化剂成本提高催化性能提供了实验和理论依据。2.为了进一步降低催化剂的成本,提高催化剂稳定性,采用简单的湿化学方法,以相对储量丰富的Pd代替Pt,同时引入Pb对Pd电子结构进行调制,成功制备了具有枝晶形貌的Pd3Pb纳米催化剂。实验证明,这种独特的3D枝晶状纳米结构具有较大的比表面积、暴露更多的活性位点,更快的电子传输效率,此外Pb的引入增强了Pd的导电性和抗中毒能力,铅、钯原子间的协同作用,使Pd3Pb纳米催化剂在乙二醇的电催化过程中保持高效稳定的催化能力。在EGOR中,3D Pd3Pb NCs面积活性为10.0 mA cm-2、质量活性为4.5 A mg-1,分别是商业Pd/C催化剂的5.0倍和4.3倍,甚至超过了许多以前报道的Pt基电催化剂。该研究为制备高效的Pd基乙二醇氧化纳米催化材料提供了理论和技术平台。3.为了进一步提高Pd基电催化剂的性能,提高其在实际应用中的可能性,同时针对贵金属纳米催化剂稳定性差、容易发生团聚的缺点,以比表面积高、化学稳定性优异、电荷转移效率高的氮掺杂石墨烯（NG）为载体,在室温条件下通过一锅法构建了具有氮掺杂石墨烯负载的三维PdAg纳米花催化剂（3D PdAg NFs/NG）。锚定在NG表面的3D PdAg NFs具有更小的粒子直径,更高的表面利用效率,其分散程度更加均匀,3D纳米花结构增加了催化剂的表面活性位点。由于具备高导电性、合金效应、3D PdAg NFs与NG之间的协同作用,所制备的3D PdAg NFs/NG在乙二醇氧化反应中展现出高催化活性和卓越的稳定性。测试结果表明,3D PdAg NFs/NG质量活性和面积活性分别为5.8 A mg-1和11.9 mA cm-2,分别是商业Pd/C的5.4和5.95倍。长期稳定性试验后,3D PdAg NFs/NG的剩余质量活性远远高于3D PdAg NFs和商业Pd/C催化剂。本研究为进一步实现非铂纳米材料的高催化活性和高稳定性提供了新思路。4.在众多的金属中,过渡金属及其合金被认为是贵金属催化剂的潜在替代品,然而由于金属纳米颗粒极易团聚堆积,在长期使用后容易阻塞传质孔道,而金属-碳/氮键能够有效的改善电催化性能,产生类贵金属的电催化性能。鉴于此,以过渡金属为前驱体,双氰胺为碳源和氮源,探索出一种简单可靠的原位合成策略,可控合成了一种在FeCoNi合金表面原位生长氮掺杂碳纳米管的复合纳米催化剂。制备的FeCoNi@N-CNTs具有较大的活性表面积、超高的石墨碳含量、丰富的活性M-C/Nx种类,在碱性介质中对OER具有较高的电催化性能。优化后的Fe1Co1Ni1@N-CNTs对OER具有良好的电催化性能,起始电位为1.43 V,达到10 mA cm-2仅仅需要252 mV过电位,且OER在碱性介质中具有显著的长期稳定性。更重要的是,以Fe1Co1Ni1@N-CNTs作为阳极电极,Pt/C作为阴极电极,驱动电解水达到10 mA cm-2的电流密度只需要1.52 V的电势,可以媲美目前最先进的IrO2‖Pt/C电极对。本工作为构建高效、稳定的OER非贵金属包封型N-CNTs电催化剂提供了可靠的实验技术。5.为了在实际应用中实现持续的全水解,同一种催化剂在相同的电解液中实现全水解显得尤为重要。然而,HER和OER很难在相同的pH范围内同时表现出色的活性和稳定性。过渡金属磷化物具有电子传输快,稳定性高等优点,近年来成为研究的热点。鉴于此,以非贵金属为主体,利用简单的一锅法,制备了超小三金属磷氧化物纳米粒（FeCoMo P-O NPs）。该方法制备的纳米粒子具有丰富的氧空位、电化学活性表面大、电子传输速度快、稳定性好等优点。经过优化的Fe1Co3Mo3 P-O NPs在1.0 M KOH电流密度为10 mA cm-2时,其析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的过电位仅为111 mV和231 mV。为了深入了解全水分解性能情况,Fe1Co3Mo3 P-O NPs作为正极和负极组成的电解水装置仅需1.604 V电压即可达到10 mA cm-2的电流密度,同时还且具有超长的稳定性。该研究为开发具有双功能的高性能电催化水分解剂提供了可行的思路。该论文有图67幅,表13个,参考文献238篇。