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为积极响应国家新旧能源转换的号召和可持续发展的理念,开发新型能源同时探索新颖的化工工艺对人类的发展和社会的进步意义重大。在众多解决方案中,涉及电化学过程的电催化分解水产氢和电催化氮气还原制氨成为两种具有极大应用前景的能源转换新工艺。其中,电催化析氢反应可以将电能高效地转化为洁净的氢能进行存储。另外,室温下电催化氮气还原制氨工艺,反应过程安全可控、不存在二氧化碳排放,极有希望成为替代哈伯-博施法的新型制氨工艺。然而,这两个过程作为电催化反应,目前仍然缺少合适的催化剂来提升其反应速率。为此,设计高性能的电催化剂以及高活性的电极材料成为了电化学能源转换与新型制氨工艺研究的焦点。鉴于此,本论文提出了以下五种研究方案:一、析氧反应作为电催化分解水的半反应,其复杂的四电子转移过程带来了缓慢的动力学特征,严重阻碍了电催化制氢速率的提升。因此,探索高效的电催化析氧催化剂成为实现电解水制氢工业化的另一途径。然而,Mo基氧化物固有的低活性以及缓慢的电荷转移过程严重阻碍了其作为电解水析氧催化剂活性的提升。因此,寻找合适的调控手段提升Mo基氧化物的析氧活性在未来氢能的实际应用中意义重大。同时,考虑到Co基材料在电解水产氧领域中优异的活性以及无定形材料短程有序所带来的丰富活性位点等因素,我们设计合成了具有独特核/壳结构的无定形Co掺杂MoOx纳米球状结构催化剂并用于高效的电催化分解水产氧。受益于无定形结构以及高活性Co原子的引入,Mo基氧化物的活性位点以及电荷转移过程获得了很好的调控和优化,极大提升了其电催化分解水产氧活性。在碱性电解液中,达到电流密度10 mA cm-2时仅需过电位340 mV,同时对应的Tafel斜率低至49 mV dec-1,电荷转移电阻低至27Ω,这可以与已经报道的大多数催化剂相媲美。并且,该材料在碱性电解液中也表现出优异的稳定性,表明该材料有希望成为一种理想的电催化剂来实现氢能的工业生产。本工作通过非晶化以及高活性原子掺杂的策略成功实现了OER活性的大幅度提升,为将来氢能工业化生产开辟了一条新的路径。二、将Co原子掺杂成功地拓展至FeS2中,并且通过电子结构的调控使FeS2的催化性能得以优化,表现出优异的双功能电解水活性。该工作通过水热反应合成了具有多孔结构的Co掺杂FeS2催化剂（Co-FeS2）,并应用于高效的电催化全解水。同时,通过高活性杂原子的引入,Fe金属位的活性被激活同时又引入了新的活性位点（Co金属位）。除此之外,考虑到Co与Fe在元素周期表中都作为第四周期第八副族的过渡金属元素,Co的引入确实可以很好地优化FeS2的电子结构,实现快速的电荷转移,促进电催化反应的动力学过程。该工作,通过成功地将杂原子掺杂拓展至FeS2中,并且提升了材料的电催化活性甚至赋予其优异的双功能催化性,为理想电催化剂的制备提供了理论指导。三、除了杂原子引入,原子缺陷的创造也可以实现晶体结构以及电子结构的优化,从而激活活性位点、促进电荷转移过程并且优化活性中间体的吸附。因此,该工作通过硼氢化钠室温还原的手段在CoFe2O4纳米片表面制造氧原子空位,成功地调控了其电子结构以及活性位点,从而使材料同时兼具优异的OER以及HER活性,有望实现高效的电催化全解水。同时,我们还运用密度泛函理论对其催化活性的起源进行了深入的探究,发现氧原子空位引入后CoFe2O4的带隙宽度明显降低,这可以加快反应过程中的电荷转移过程有利于催化活性的提升。另外,水分子吸附作为分解水的决速步,引入氧原子空位后材料表面对水分子的吸附能极大降低,进一步促进了催化活性的提升。该工作,我们运用理论和实验共同证明了具有氧原子空位的CoFe2O4表现出优异的双功能电解水催化性能,有希望成为新一代电催化剂从而实现氢能的实际应用。四、非晶化以及异质结界面的创造可以极大地增加活性位点并且优化活性物质的分离传输,这也成为制备高效催化剂的一种有效的策略。该工作通过一锅法成功制备了具有非晶界面的CoFeOx（OH）y/CoOx（OH）y材料。受益于非晶界面的存在,活性中间体的分离和传输获得极大优化,从而催化活性得到提升。同时,由表面粗糙的三维交联纳米片构成的壳状结构增加了催化剂的比表面积、活性位点,极大提升了催化剂的原子利用率,这是一种理想催化剂所必需的。并且,无定形材料丰富的晶界以及晶格畸变带来了丰富的活性位点,这进一步提升了催化活性。非晶界面的调控修饰,不仅极大地提升了催化活性而且赋予了材料优异的双功能活性从而实现快速的电催化全解水。采用三电极系统,OER的过电位低至324 mV,HER的过电位低至263 mV。该催化剂同时用作阳极和阴极进行全解水时,电池电压低至1.59 V。该工作,通过创造非晶界面成功地调控优化了材料的电子性质从而赋予材料优异的双功能活性。五、考虑到杂原子掺杂对催化剂分解水活性的提升作用,预测杂原子的引入也可以应用到电催化氮气还原领域并实现优异的催化活性。该工作采用水热法以及磷化法成功制备了具有超薄纳米片状结构的Fe掺杂Ni2P催化剂,并应用于高效的电催化氮还原。受益于Fe原子掺杂,Ni2P的电子性质获得了很好地优化。同时,Fe原子掺杂后催化剂表现出优化的N2吸附以及N≡N三键的激活,这是提升催化活性以及选择性的前提。另外,Fe引入后Ni位点的活性获得提升并且创造了新的活性位点（Fe位）,这进一步促进了电催化性能的提升。正如预期那样,Fe掺杂的Ni2P表现出优异的电催化氮气还原制氨性能(-0.3 V下,氨产率:88.51μg h-1mg-1cat.,法拉第效率:7.92%)。该工作将杂原子掺杂策略成功地拓展至电催化氮气还原领域,通过Fe原子掺杂成功地优化了Ni2P的晶体结构以及电子结构,并首次实现了Ni2P在电催化氮还原反应中的应用。