能源短缺、环境污染和气候变化是21世纪人类面临的三大严峻问题,开发新的清洁可再生能源被认为是解决这些问题的有效方法。由于能量转化效率高、应用方便等优点,电化学能量存储与转化技术近年来受到了世界各国的广泛关注。在诸多电化学设备例如电解水系统、金属-空气电池、燃料电池等中,析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）由于其缓慢的反应动力学而受到限制,急需高效的催化剂加速其反应过程。目前最先进的OER和ORR催化剂是贵金属及其氧化物,但由于价格高、储量少,它们的大规模应用受到了限制。因此,研发新型非贵金属OER、ORR催化剂成为了电化学能源科学与技术中的一个重要课题。基于以上背景,我们从对材料的理性设计出发,发展了几种高效的过渡金属基OER、ORR催化剂。本论文主要的研究内容如下:1、具有复杂自旋构型的双钙钛矿OER、ORR电催化剂的研究我们研究了双钙钛矿催化剂La₂CoMn0_6-δ和La₂NiMnO_6-δ的OER、ORR性质,实验结果表明它们是有效的OER、ORR电催化剂。对于在600℃退火的La₂CoMnO_6-δ样品,其在碱性电解液中相对于可逆氢电极（RHE）的ORR半波电位低至0.75V。随后我们研究了 La₂CoMnO_6-δ La₂NiMnO_6-δ电催化活性与e_g轨道电子占有数之间的关系。我们发现当两种过渡金属离子的e_g电子时都被考虑到时,Shao-Hom及其同事提出的e_g填充规则秆La₂CoMnO_6-δ中是有效的。然而,对于La₂NiMnO_6-δ的情况,由于在不同条件下制备的样品都具柯为的平均e_g占据数,因此应当修改e_g填充规则。我们建议使用平均偏离于e_g占据数为1的程度来描述La₂NiMnO_6-δ的催化活性。修改后的e_g填充规则可用于设计平均e_g占据数为1的钙钛矿催化剂。2、二维（2D）金属有机框架衍生的双金属磷化物/碳复合材料OER电催化剂的研究我们使用2D金属-有机框架（MOF）作为前驱体,合成了嵌入碳纳米片中的超细钴-铁双金属磷化物纳米颗粒。碳基质的2D形态和Co（1-x）Fe_xP纳米颗粒的超细特征有利于提高OER催化性能。通过优化MOF中Co/Fe原子的摩尔比,我们制备了一系列的Co（1-x）Fe_xP/C催化剂。其中C_0.7Fe_0.3P/C表现出最优的OER催化性能,在碱性电解液中,达到电流密度为10 mA cm^-2时的过电位低达270 mV（相对于RHE）,并且具有27 mV dec^-11的超低Tafel斜率。适度的铁掺杂保存了催化活性位点并提高了 CO_1-xFe_xP纳米颗粒表面被氧化的能力,从而增强了 OER活性。我们的研究结果为理性设计OER催化剂的形态和化学组成提供了研究基础。3、2D双金属磷化物超薄纳米片OER电催化剂的研究我们研究了一种作为新型OER电催化剂的2D双金属磷化物（Co（1-x）Fe_xP）超薄纳米片。采用水热法先制备了 2D铁掺杂的（CO₃）_0.5（OH）·0.11H₂O作为前驱物,再通过快速加热以及磷化处理得到2D的Co（1-x）Fe_xP超薄纳米片。纳米片的2D形态和不同过渡金属元素之间的协同效应有利于提高OER催化性能。通过优化Fe原子的掺杂比,Co_0.8Fe_0.2P纳米片表现出最佳的OER催化性能。在碱性电解液中,当电流密度为10 mA cm^-2时,它的过电位低达270 mV（相对于RHE）,Tafel斜率为50 mV dec^-1。适度的铁掺杂改善了 CoP纳米片表面的氧化程度并保持了导电性和化学稳定性,从而提高了 OER性能。我们的研究结果展示了通过理性设计制备新型非层状2D纳米材料OER催化剂的巨大潜力。