随着能源消耗和气候变暖的加剧,国内外已经开发了许多清洁能量转换技术（例如燃料电池,金属空气电池以及CO₂和N₂还原）,以缓解能源危机和气候问题。对于这些清洁能源转换技术,高性能电催化剂的开发至关重要,有助于降低能量势垒和促进电化学过程的动力学。其中,尽管贵金属催化剂（如Pt/C、Ir O₂和Ru O₂）发挥了许多优势,但由于稀缺性和成本高,大大限制了其实际应用。为了降低催化剂的成本,已经开发出了多种策略,如合金化、杂化、缩小纳米颗粒尺寸直至原子尺度上的双金属催化剂和单原子催化剂。其中,原子尺度双金属催化剂因拥有较高的原子利用率和可控的配位环境,且不同金属原子之间强协同作用,使其在许多催化反应（如N₂固定、CO₂还原和和H₂氧化）中表现出优异的活性和选择性等。鉴于此,本论文设计并可控合成了多组原子尺度双金属催化剂,对其电催化性能进行研究。具体研究内容如下:（1）受生物固氮酶的启发,采用简单的溶解-碳化方法设计并合成了一种铁钼亚纳米簇和单原子共存于多孔氮掺杂碳上的催化剂（FeMo/NC）,将其应用于电催化N₂还原（NRR）合成氨。在FeMo/NC催化剂中,N₂靠近、吸附并与Fe和Mo相互作用,Fe和Mo通过电子转移在激活N₂分子中起关键作用。因此,FeMo/NC催化剂在中性电解液中产NH₃的最大法拉第效率可达11.8±0.8%,产率为26.5±0.8μg h^-1 mg^-1_cat.。此外,在100000 s的时间内,催化剂的法拉第效率变化可以忽略不计,电流密度略有下降。这项工作的优势和创新性在于开发了具有协同效应的、原子尺度双金属电催化剂,可高效生产NH₃,并为亚纳米簇和单原子共存的高效耐用催化剂的设计提供了示范。（2）设计并合成了固定在氮掺杂碳上的CuSn双原子非贵金属（CuSn/NC）,可有效还原CO₂。通过球差校正电镜和同步辐射表征解析发现Cu-Sn的原子结构为Cu N₂Sn N₂,原位近环境压力X射线光电子能谱测试表明该结构为活性中心通过电子转移对CO₂起活化作用。与在氮掺杂碳上的铜（Cu/NC）和氮掺杂碳上的Sn（Sn/NC）相比,CuSn/NC催化剂在-0.75 V下表现出高的CO选择性,其法拉第效率为99.1%。并显示出良好的连续24小时电解稳定性。密度泛函理论计算表明,CuSn/NC催化剂能够弱化C-O键和扭曲CO₂构型从而有助于化学吸附并激活CO₂。（3）设计并合成了负载在氮掺杂碳上的RuNi双金属原子催化剂（RuNi/NC）,将其应用于电催化H₂氧化反应（HOR）。通过球差校正电镜可以清晰地观察到RuNi原子对。电化学性能测试显示,RuNi/NC催化剂在碱性介质中表现出了优异的HOR活性,在过电位?=50 m V时的表观电流密度为1.36 m A cm^–2,与商业Pt/C催化剂(1.42 m A cm^–2)的接近。此外,RuNi/NC(1.36 m A cm^–2_disk)的交换电流密度明显大于Pt/C(1.24 m A cm _Pt^–2)。同时RuNi/NC催化剂还展现出优异的HOR电化学稳定性。RuNi双金属原子的协同作用增强了H_ad中间体的吸附,从而提升了其HOR性能。上述工作成功的制备了均匀分散在氮掺杂碳上的三种原子尺度双金属活性位催化剂,它们通过金属原子的高利用率和双金属的协同作用表现出优异的电催化性能。这些工作为设计和制备高效耐用的原子尺度双金属催化剂提供了新思路。