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可持续能源转换和存储技术已被公认为传统化石燃料能源的替代品,可适应全球气候和环境变化挑战。这些可持续能源装置的电极反应动力学缓慢,特别是燃料电池和金属空气电池阴极中发生的氧还原反应(ORR)已成为严重限制其实际应用的整体效率的瓶颈。因此,必须使用高效的催化剂来实现此类装置的低能量屏障运行。铂族金属(PGM)被认为是ORR活性最高的催化剂,但如何设计高活性、低铂(Pt)用量的PGM催化剂仍是当前的研究目标。近年来,金属钯(Pd)由于其相对丰富的储量与灵活的电子结构,在电催化ORR领域被视为Pt最为理想的替代金属。研究发现调节Pd基催化剂的表面电子结构可以提高其电催化活性,并使之与Pt基催化剂相媲美。由于ORR发生在催化剂表面,因此催化剂的表面状态对于确定其电催化性能至关重要。因此,通过形貌工程、缺陷工程、应变工程等策略来调控Pd基纳米材料的微观形态,改善催化剂活性位局域结构和电子结构,设计具有高比表面活性的催化剂,这对于提高电催化性能具有重要意义。基于此,本研究以Pd基纳米材料为研究对象,采用形貌工程和应变工程的调控策略,从提升材料的电化学活性比表面积(ECSA)、本征活性(SA)与质量活性(MA)等问题入手,对Pd基纳米材料的微观形貌、局部结构与电子结构进行调控,从而实现催化剂性能的提升。具体而言,本文重点研究了不同维度Pd基纳米材料与二维(2D)多孔Pd纳米筛的可控制备,及其在碱性电解液中的ORR性能与锌-空气电池(ZAB)性能,并通过透射电镜、第一性原理计算(DFT)等手段对其结构与性能关系做了深入探讨,具体如下:(1)基于形貌工程的调控策略,实现不同维度Pd基纳米材料的可控制备。通过对不同配体与不同合成环境的调控,合成了不同形态的Pd纳米材料,包括零维(0D)Pd纳米颗粒(Pd NP)、一维(1D)Pd纳米树枝(Pd ND)与2D Pd纳米片(Pd NS)。实验表明,Pd NS与Pd ND独有的低维形貌提供了极大的ECSA,暴露了更多的电化学活性位点,并显著提升其导电性,从而表现出比商业Pt/C与Pd/C催化剂更高的MA。另外,由于暴露了更多的催化活性晶面,Pd ND催化剂相较于Pd NS催化剂表现出更大SA,其SA是Pd NS催化剂在0.9 VRHE时的2.9倍。另外,通过DFT计算证实,Pd ND边缘大量的裸露晶面显著改善了其表面的电子结构,缓解了氧中间体与表面的过度结合,并充分暴露了大量不饱和催化活性位点,从而显著提升了其ORR性能。(2)基于应变工程的调控策略,实现2D多孔Pd纳米筛(Pd NM)的可控制备。在Pd NS与Pd ND的合成基础上,通过对前驱体与合成环境的调控,合成出具有2D多孔形貌的Pd NM。Pd NS极大的长径比严重限制了电荷在电化学反应过程中的纵向扩散,而Pd NM中纳米孔道结构的引入解决了这一瓶颈问题,催化剂的传质与传荷能力得以极大程度增强。通过透射电子显微镜(TEM)结果分析,可以清楚发现纳米孔的边缘具有多个晶格台阶,这些台阶构成的高指数晶面为催化反应提供了更多的活性位点,从而显著提升其催化性能。此外,在纳米孔边缘的最外层晶面,发现了明显的拉伸应变,经统计,应变率最高达到~27.23%,这也有利于ORR性能的提升。实验证明,Pd NM独有的2D形貌提供了极大的ECSA,暴露了更多的电化学活性位点,表现出极大的MA,分别是商业Pt/C催化剂和Pd/C催化剂在0.9 VRHE时的84.5倍和73.6倍。另外,通过DFT计算证实,其孔边缘大量的晶格台阶与拉伸应变显著改善了其表面的电子结构,缓解了氧中间体与表面的过度结合,并充分暴露了大量不饱和催化活性位点,从而显著提升了其ORR性能。(3)基于以上研究,将2D Pd NM催化剂应用于碱性ZAB阴极。应变工程指导合成的2D Pd NM表现出极为优越的ORR催化活性。为了探究其实际应用前景,我们以Pd NM作为碱性ZAB的空气阴极催化剂,进行了一系列ZAB性能测试。在长达10小时的时间内,该电池表现出1.440 V的高开路电压。此外,将消耗的锌箔经过质量归一化后,其比容量高达797.43 m Ah g-1,峰值功率密度也高达220.23 m W cm-2。我们进一步研究了其在5 m A cm-2电流密度下的长效耐久性,结果显示,即使经过150小时的充放电循环(450个循环),也几乎没有什么性能损耗。综上所述,本研究采用形貌工程与应变工程的调控策略,以极具实际应用前景的Pd基纳米材料为研究对象,探索其生长机理与控制因素,实现不同形貌Pd基纳米催化剂的可控构筑;研究不同Pd基纳米材料中微观结构与ORR催化性能的关联规律;利用电子显微技术结合密度泛函理论(DFT)计算,阐明了决定Pd ND与Pd NM优异的ORR催化性能的结构根源;为在原子尺度设计和构建高性能PGM提供科学依据和实验数据,推动能源转换技术的快速发展,具有广阔的应用前景和巨大的社会、经济效益。