在当前能源危机和环境污染严重的背景下,开发高效清洁能源变得十分迫切。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells, DSCs)由于具有能量转换效率高、易制作、低成本、环境友好等优点而引起广泛关注,目前效率已经达到14%。燃料电池(Fuel cells, FCs)作为新型发电装置,可以直接将燃料的化学能转化为电能,具有能量转换效率高、环境污染小、燃料来源广等优点,被誉为继水力、火力和核能之后的第四代发电技术。这两种新能源器件的研究将有助于能源危机和环境污染问题的解决。这两种新能源器件都涉及到阴极催化还原反应,开发高效、廉价、稳定的阴极催化材料对推动其产业化发展意义重大。目前DSCs和FCs中最常用的阴极材料是贵金属铂(Pt),其价格昂贵且造成电池成本高；另外,Pt具有稳定性差、反应迟缓、易受燃料渗透影响等缺点。因此,为推动两种新能源器件的产业化发展,研究开发高效、低成本、高稳定性的非贵金属阴极催化材料成为一个迫切任务。同时需深入研究阴极催化材料在器件中的催化机理,探索电池效率的影响机制,为研究新材料提供指导。为解决上述问题,本论文以设计合成高效稳定的非贵金属阴极催化剂为目标,系统研究了催化材料的形貌、组成、结构与催化性能的构效关系,深入探索了非贵金属催化材料对I3- (IRR, Iodine reduction reaction)和O2 (ORR, Oxygen reduction reaction)还原反应的催化机制。首先,以NbSe2为切入点,通过控制合成过程的降温速率实现了对NbSe2纳米催化材料的形貌调控,研究了催化剂形貌与其对DSCs中13-/I-电对催化性能之间的关系。以NbSe2/C为对电极的DSCs最终获得了7.80%的能量转换效率,性能接近溅射Pt电极。通过改变过渡金属硒化物的组成,合成了Cr5.6Se8、MoSe2、WSe2、TaSe2和HfSe3等系列硒化物,研究了材料组成与其催化性能的关系,并利用泛函密度理论对具有相似形貌和结构但催化活性差异较大的MoSe2和WSe2进行了理论研究,发现两种催化剂催化活性差异的原因是对13-的吸附能力和电子传导能力不同。进一步拓宽了硒化物的应用范围,设计构建了超薄二维石墨烯-无机石墨烯类似物层状复合催化剂并应用于燃料电池氧还原反应。复合催化剂具有更高的比表面积和更加优异的结构,更加有利于02的吸附和传质,从而表现出优异的ORR反应催化性能。其次,首次将碲化物用作DSCs高效对电极催化材料。利用复合碱媒介法成功合成了CoTe和NiTe2,并用作对电极,DSCs器件获得了6.92%和7.21%的光电转换效率,与溅射Pt对电极相当。调控铁基化合物的组成,合成了FeS2、FeSe2和FeTe2三种铁基硫属化合物并应用于DSCs对电极体系,三者对13-/I-电对均表现出良好的电催化活性,电池效率分别为8.00%、7.92%和7.21%。其中FeTe2微米级的尺寸导致其催化活性位点相对较少,从而表现出稍差的电催化性能。理论计算表明FeS2对I具有较大的吸附能,而FeTe2则具有较小的功函数,有利于界面电荷交换。第三,利用溶剂热法在石墨烯表面合成了W18049纳米棒,并将其用作燃料电池阴极催化剂。原位复合得到的催化剂中,W18049纳米棒与部分还原氧化石墨烯之间存在强烈的相互作用。结合W18049纳米棒的一维结构、丰富的表面氧空位,以及石墨烯良好的导电性,合成出的复合催化剂有效保障了02的吸附和电荷的传输,最终表现出了良好的ORR催化性能。研究表明,复合催化剂在ORR过程中电子转移数大约为3.88,与商业Pt/C催化剂接近。同时,该复合催化剂还具有良好的耐久性和抗甲醇性能,是一种有潜力的非Pt阴极催化材料。