人类进入21世纪以来,世界经济高速发展,能源的消耗日益增大。现今的能源结构中,传统化石燃料依然占据着很大的比重。然而,化石燃料的不可再生性制约着它不能够无限制地被开采下去。而且,化石燃料的过度使用所带来的环境污染问题也日趋严重。因此,发展新能源代替传统化石能源成了当今科学研究的一个热门课题。燃料电池、金属-空气电池、氢能等都是环境友好型能源储存载体,对环境不会造成任何污染。在燃料电池和金属-空气电池的工作中,存在两个关键的反应过程,分别是氧还原和氧析出反应;电解水制氢同样有两个重要的过程,分别是氧析出和氢析出反应。然而,这些过程的发生离不开催化剂的作用,其性能的优劣决定了相应能源器件的性能。因此,寻找合适的电催化剂去驱动这些反应过程具有重要的科学研究意义。本论文研究内容包括设计与制备碳基过渡金属（Fe、Co、Ni）催化剂材料,应用于燃料电池、金属-空气电池的氧还原（ORR）和氧析出（OER）过程研究,以及电解水过程中的析氢（HER）和析氧（OER）反应的研究,系统地揭示了催化剂组成、结构等与ORR/OER/HER电催化性能之间的关系,主要开展了三部分研究工作。研究内容一,利用生物质虾壳为含氮的碳源,与铁（Fe）的前驱体进行混合后,在惰性气氛下,通过高温热解的方式,制备了碳包覆的铁基纳米催化剂粒子复合物。XRD物相分析表明,催化剂粒子主要为金属单质Fe和Fe203。对不同温度下制备的催化剂进行性能评价,结果表明,1000℃下制备催化剂拥有较好的ORR/OER双功能催化活性。在碱性介质中性能测试表明,Fe/Fe2O3@Fe-N-C-1000 ORR反应的起始电位和半波电位分别为-0.04和-0.17 V;在固定转速1600 rpm下,极限电流密度为6.5 mA·cm^-2,其ORR催化性能可与商业化Pt/C催化剂相媲美;在OER催化过程中,催化剂Fe/Fe2O3@Fe-N-C-1000在10 mA·cm^-2时的过电位为460 mV。在酸性介质中,催化剂Fe/Fe203@Fe-N-C-1000具有较好的ORR活性,起始电位和1600 rpm转速下的极限电流密度分别为0.52 V和6.0 mA·cm^-2,经过20000秒稳定性测试后,其ORR活性依然可以保持在90%以上。进一步,Fe/Fe2O3@Fe-N-C-1000作为空气阴极材料,组装了简易金属锌-空气电池。测试结果表明,电池的开路电压约1.3 V,放电功率能够达到200 mW·cm^-2以上,并保持高的电池循环稳定性。研究内容二,以空间三维结构金属有机骨架材料Ni-BTC作为前驱体,在氨气气氛中,进行高温煅烧,得到了 Ni3N/Ni纳米片材料。在碱性介质中,对催化剂进行OER性能测试。结果发现,700℃下制备的催化剂材料（Ni3N/Ni-700）具有优异的OER性能。在电流密度为10 mA·cm--2时,催化剂Ni3N/Ni-700的过电位为290 mV,与商业化的RuO2催化剂基本相当。经过4000次的循环催化测试之后,其催化活性可以保持在90%以上,表明其具有较高的催化稳定性。研究内容三,利用活性炭作为载体,在高温（1000℃）下制备了不同比例的多功能Ni-Co合金催化剂,并进行了自供电电解水产氢性能测试。XRD和STEM表征结果证明了金属Ni和Co是以合金的形式存在,并且被石墨化的碳紧密包裹,有利于增强其催化活性与应用稳定性。在碱性条件下对催化剂材料进行电化学测试,结果表明,所制备的合金催化剂具有ORR/OER/HER三功能催化活性,而且其性能与合金中Ni和Co的比例密切相关。Ni/Co摩尔比为1:3的催化剂（Ni1Co3@C）具有较好的ORR和OER性能,其ORR的起始电位和1600 rpm下的极限电流密度分别为-0.098 V和5.8 mA·cm^-2,在OER电流密度为10 mA·cm^-2时的过电位为470 mV。Ni/Co摩尔比为3:1的催化剂（Ni3Co1@C）具有较好的HER催化活性,电流密度为10 mA·c,-2时的过电位为280 mV。进一步,以NiICo3@C作为空气电极材料,组装了简易金属镁-空气电池。测试发现,电池的开路电压能达到1.7 V,放电功率为30 mW·cm^-2,并可成功点亮LED灯和带动小功率电风扇。以自制的金属镁-空气电池作为电源,NiICo3@C和Ni3Co1@C分别作为氧电极和氢电极,进行自供电电解水研究。结果表明,3 h反应可收集8 mL氢气,分解水产氢效率为0.044 mL·min-1,而且,产氢和产氧的法拉第效率几乎为100%。