当今社会,化石能源仍然是其主要的能源来源。但是化石能源有限的储量及其过渡使用造成的环境污染问题,迫使人们寻求新型的能源和探索高性能的能源储存或者转换设备。燃料电池和金属空气电池作为新型能源设备因其能量密度高、运行稳定、环境友好等优势已受到广泛的关注。以燃料电池为例,氧气还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)作为燃料电池的关键组成反应,由于其自身迟缓的反应动力学限制了整个电池的性能。铂(Pt)催化剂是目前已知的具有高MOR活性和高ORR活性的电催化剂。但由于Pt的价格昂贵、储量稀少且电催化稳定性差等因素限制了上述能源设备的商业化应用。因此,设计新型、高电催化活性、价格低廉的催化剂意义重大。基于上述背景并结合当前的研究热点,本论文以降低电催化剂的成本,且提高其电催化活性和稳定性为目标开展了系列研究,包括特殊形貌的Pt基催化剂(研究内容一,研究内容二),杂原子掺杂的碳基催化剂(研究内容三),单原子催化剂(研究内容四)以及稀土磷酸盐催化剂(研究内容五)的设计、制备和电催化性能的研究。具体内容如下:(1)报道了一种新颖、简便和高效的合成方法制备了空心结构的铂-铜十四面体合金(Pt-Cu TNs)纳米粒子。通过此方法,能够精确控制Pt-Cu TNs壳厚度和Pt,Cu组分的含量比例。同时详细研究了 Pt-Cu TNs的形成机理。实验结果表明,Pt-Cu TNs具有比商用的铂催化剂更高的MOR电催化活性、稳定性和一氧化碳抗中毒能力。这主要是因为该催化剂具有较大的比表面积、丰富的活性位点以及金属组分之间的协同效应。(2)以氧化亚铜为模板,在室温条件下快速合成了空心结构的PtPdCu三元金属合金(PtPdCu HTOs)纳米粒子。由于PtPdCu HTOs的空心、多孔的结构特征及其三元金属的组分优势,在酸性介质中该催化剂具有比商用的Pt黑更高的氧还原电催化性能。(3)基于硬模板法制备了 B,N共掺杂的超薄碳纳米片(BN/C)。在碱性电解液中,该催化剂具有优秀的氧还原电催化性能。其ORR半波电位(E1/2)为0.8 V vs RHE,与商用的Pt/C催化剂相当,并具有较好的电催化稳定性及优秀的耐甲醇性能。该催化剂具有优秀的电催化性能主要是因为其比表面积大(1085 m2 g-1)、多级孔的结构以及B,N共掺杂的协同作用和丰富的活性位点。此外,基于BN/C+RuO2催化剂的锌-空气电池具有优异的电池性能(其开路电压约为1.36 V,峰值功率密度约为115 mW cm-2,优良的充放电稳定性(1000圈充放电14天))。基于BN/C+RuO2催化剂的柔性固态锌空气电池在不同弯折情况下也显示出优异的循环稳定性,有望应用于可穿戴器件。(4)在盐模板辅助下制备了锚定有Co单原子的内在连通的B,N共掺杂的碳管(CoN4/B,N-C tubes)。该碳管在碱性电解质中具有优秀的ORR电催化活性和稳定性(半波电位:0.87 V vs RHE,超过商用的Pt/C:0.84 V vs RHE,1000圈循环后其半波电位仅负向移动了 1 mV)。其优异的ORR性能主要归功于Co-N-C活性中心结构及B,N共掺杂碳活性中心的共同作用以及有助于传质的三维管状组装体结构和较大的比表面积。基于CoN4/B,N-C tubes+ RuO2的锌空气电池比Pt/C+RuO2的锌空气电池拥有更大的能量密度(125.0 mW cm-2),更高的比容量(746.8 mA h gzn-1)和优异的循环稳定性。(5)合成了氮掺杂碳材料负载的磷酸镧(LaPO4-N/C),并发现它是一类具有比商用Pt/C更优异的新型ORR催化剂。实验结果表明,其催化过程是LaPO4和N/C组分之间一个协同催化机理。LaPO4组分吸附和活化O2分子,经过二电子还原反应产生适量的HO2-物种。HO2-物种被快速传递给N/C,并进一步催化转化为OH-。这为设计和发展新型高效的非贵金属ORR催化剂提供了新思路。