可再生和可持续能源的大规模发展对于减少化石燃料燃烧进而实现我国十四五发展规划中“碳中和”、“碳达峰”目标至关重要。氢和氨作为两种重要的零碳燃料,传统合成工艺会产生温室气体,污染环境。利用电化学能源转换装置获得氢和氨具有高效可控、绿色环保的优点。然而,这些装置面临以下两个问题:（1）阳极析氧反应（OER）动力学缓慢需要较高能耗,阴极产氨选择性不高,降低了能源转换效率;（2）高活性贵金属催化剂成本制约其应用,设计兼具高活性和低成本的电催化剂成为当务之急。过渡金属基催化剂,特别是钴（Co）基催化剂,价格低廉、存储丰富,特殊的未充满电子结构使其具有优异的电催化活性,因此广泛应用于能源转换领域。此外,对形貌和组分的精细设计能进一步提升催化剂活性。本文以获得高活性和高选择性的Co基纳米电催化剂为导向,利用模板法设计制备三种Co基催化剂用于高效电解水制氢和电化学还原硝酸根选择性合成氨。论文的主要研究内容如下:1.多孔碱式碳酸钴（CoCO3）纳米球的制备及OER性能研究。本工作发展了一种沉淀转化策略,将碳酸钙（CaCO3）纳米球同时作为前驱体和自模板,利用CoCO3和CaCO3溶度积常数的数量级差异为内在动力,设计合成CoCO3多孔纳米球（简写为CoCO3 PNSs）。空心多孔结构和纳米粒子间相互连接的通道赋予CoCO3PNSs高的比表面积,同时提供了丰富的活性位点、快速离子扩散/电子传递能力。由于以上结构优势,CoCO3 PNSs在碱性介质中显示出优异的OER活性,达到10m A cm-2,过电位为310 m V,Tafel斜率低至56 m V dec-1,活性远高于商业化二氧化钌（RuO2）。2.多孔磷化钴（CoP）纳米梭的制备及硝酸根电还原性能（NO3--ERR）研究。本工作基于沉淀转化-高温磷化策略成功制备了多孔且无定形的CoP纳米梭（简写为CoP PANSs）。梭形形貌、小尺寸的表面纳米粒子以及多孔结构为CoP PANSs提供了高比表面积、丰富的不饱和键和高效传质。因此,CoP PANSs对中性NO3--ERR合成氨表现出良好的催化活性。在-0.5 V电位时,CoP PANSs具有较高的NH3产率(19.28±0.53 mg h-1 mg-1cat)和法拉第效率（94.24±2.8%）。此外,构建的CoP PANSs||Ir/C双电极电解槽在含有KNO3的K2SO4溶液中,仅需1.82 V的电解电压就可实现电化学持久产氨,低于CoP PANSs||Ir/C水电解所需的电解电压（1.98 V）。3.Fe掺杂的多孔CoCO3纳米花的制备及OER性能研究。为进一步提升OER活性,以第一个工作的CoCO3 PNSs作为模板,利用Fe2+原位水解制备Fe掺杂的CoCO3多孔纳米花（简写为Fe-CoCO3 NFs）。一方面,Fe-CoCO3 NFs表面多孔超薄纳米片的大比表面积和丰富的边界高活性原子为催化反应提供充足的活性位点并有效促进传质;另一方面,Fe的引入可调节活性位Co的表面电子分布。因此,具有最优Co/Fe比的Fe-CoCO3 NFs在宽pH下表现出良好的OER活性。与CoP PANSs共同构建了CoP PANSs||Fe-CoCO3 NFs中性电化学产氨电解槽,驱动该系统仅需1.83 V的电解电压,与CoP PANSs||Ir/C的电解电压非常接近（1.82 V）,且具有至少20 h的长期稳定性。