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随着日益严重的能源危机和日渐恶劣的环境问题,探索高效廉价的电催化剂对未来的可再生能源转化技术具有重大意义。传统的贵金属催化剂储量稀少、价格昂贵,极大地限制了其在新能源技术上的商业化应用。因此,合理的设计并寻求可行的合成方法研发经济、高效且耐用的电催化剂作为贵金属催化剂的替代品,成为未来可持续能源装置发展的迫切需求。3d过渡金属基纳米材料因其具有丰富的储量、较多的活性位点、良好的耐腐蚀性和高电导性等优势引起了广泛的研究兴趣。与此同时,多级的碳纳米材料具有独特的物理化学性质,作为载体拥有较大的比表面积、独特的化学结构及优异的电子和质量传输性能,能够提供大量的活性位点。本文选用廉价的生物质和高分子材料作为碳源,分别通过简易的静电纺丝技术和溶胶凝胶策略,将高活性的过渡金属材料负载于多孔的多维结构的碳基质中。结合过渡金属基材料良好的组分优势以及多维碳纳米材料的结构优势,利用其协同效应和集团效应,将两者复合并应用于电催化领域,是一种合理设计高效电催化剂的行之有效的研究思路。本论文主要研究工作如下:（1）通过静电纺丝技术,构建了一种新型的一维多级纳米结构:将Ni3Fe纳米合金包覆于掺氮碳纳米管中,并使其生长在碳纳米纤维上（简称Ni3Fe@N-C NT/NFs）。其中大量的被锚定的Ni3Fe纳米粒子作为催化位点,多级纳米结构可以有效促进电子的快速传输和质量扩散。制得的Ni3Fe@N-C NT/NFs,在1 M KOH介质中10 m A cm-2的电流密度下,其过电位仅为73 m V,并可稳定运行40000秒,显示出其优异的析氢（HER）活性和稳定性。此工作对推动高效非贵金属析氢电催化剂的研究具有重要的启示意义。（2）采用水凝胶桥连并氮化的方法来构建一个三维多级碳纳米杂化结构,制备得到均匀分布的N掺杂的碳纳米片框架负载Fe3N纳米粒子复合材料（简称Fe3N@N-C）。壳聚糖和K3[Fe（CN）6]形成的水凝胶经冻干和氮化处理后可形成Fe3N@N-C催化剂。分散良好的Fe3N纳米颗粒与碳纳米片框架的紧密结合使Fe3N@N-C催化剂具有丰富的Fe-N-C活性位点、较好的机械强度和良好的反应动力学。与普通Pt/C催化剂相比,Fe3N@N-C催化剂表现出良好的ORR活性、极佳的稳定性和在碱性条件下对甲醇的耐受性。Fe3N@N-C组装的锌空电池的最大功率密度为87.5 m W cm-2,与Pt/C组装的锌空电池(87.3 m W cm-2)几乎相似。当电流密度为5 m A cm-2时,Fe3N@N-C组装的锌空电池的比容量达到717.5 m Ah g-1(Pt/C=732.3 m A h g-1),连续放电27.5 h后,电压依然稳定。（3）通过使用生物质琼脂为碳源,乙二胺四亚甲基磷酸（EDTMPA）为氮磷源,采用溶胶-凝胶法制备氮,磷掺杂的多孔碳纳米片负载Fe-Ni2P纳米粒子复合材料（Fe-Ni2P@N,P-CNSs）。掺杂于Ni2P中的Fe对于大幅度提高其本征催化活性至关重要,同时氮磷掺杂的多孔碳基质具有更高的石墨化程度,使所制备的Fe-Ni2P@N,P-CNSs催化剂具有高比表面积、高导电性和高效的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）电催化性能。OER测试中,Fe-Ni2P@N,P-CNSs在10 m A cm-2电流密度下的过电位仅为0.39 V;1.7 V时,电流密度达到19.66 m A cm-2,优于商业化Ru O2催化剂(16.15 m A cm-2)。ORR测试中,Fe-Ni2P@N,P-CNSs的起始还原电位位0.978 V vs.RHE,接近Pt/C催化剂（1.01 V）;半波电位为0.75 V,比商业化Pt/C低了80 m V。