电催化储能与转换技术，是保证清洁、可再生能源被高效可持续利用的重要手段。本论文系统的综述了以H2O、CO2和N2循环为中心，储能与转换装置中涉及到的各种电化学反应；并介绍了电催化剂的设计和研究进展。针对各循环应用中电催化剂的低活性和低稳定性两大难题，本论文从增加活性位点的数量和提高每个活性上的内在催化性能两种策略入手，设计合成了一系列基于非金属元素P的纳米材料，并研究了它们的电催化性能。基于非金属元素P的优点，纳米材料针对特定反应的电化学性能得到改善，具体研究内容如下：
　　1.利用与氮同主族的非金属元素P作为催化剂的活性中心来实现氮气的高效选择性还原。为了尽可能地释放单质磷的本征催化活性，以层状黑磷(BP)作为催化剂前体，通过液相剥落法原位制备了具有类磷烯结构的少层黑磷纳米片(FL-BP NSs)，暴露丰富的活性位点以促进氮气的吸附与活化。电化学测试结果表明，FL-BPNSs是一种优良的NRR催化剂，在常温常压环境下，电催化氮还原合成氨的法拉第效率高达5.07%，氨产率高达31.37μgh-1mgcat.-1，同位素示踪实验证实了氨完全来源于溶解氮的电还原。DFT计算表明FL-BPNSs的zizag和diff-zigzag边缘是发生氮气吸附和活化N≡N三键的活性位点，优先以交替加氢途径电化学还原N2生成NH3。
　　2.利用P元素的丰富价电子，以改变金属活性中心的电子结构，进而提高催化活性和稳定性。采用简单温和的电沉积方法将其引入到Pt催化剂中，成功合成了相互连接的PtP纳米管阵列(PtP NTAs)，并系统了研究了其作为ORR催化剂的电化学性能。在酸性介质中，与PtNTAs和商业化Pt/C相比，PtPNTAs表现出优异的ORR催化活性、循环稳定性及抗毒化能力。在经过10000次电压循环后，PtPNTAs的ECSA只损失了约9%。
　　3.进一步通过金属与非金属共掺杂，设计了一种Pt-/过渡金属-/非金属复合的三元合金纳米管阵列(ANTAs)结构的催化剂，以提高催化剂的抗毒化能力。采用简单的电共沉积方法成功制备出多孔PtAuPANTAs，应用于催化甲醇氧化反应(MOR)中，Au与Pt形成合金结构，能够改变MOR的反应途径；而非金属元素P影响了金属Pt和Au原子的表面电子形态，不仅使合金晶体高度均一有序，更降低了对甲醇的吸附能以及促进水分子的活化，提高了MOR活性和稳定性。制备的PtAuP催化剂的MOR活性是PtAuANTAs的2.13倍、Pt/C的2.72倍；并且三者的If/Ib值分别为2.34(PtAuP)、1.27(PtAu ANTAs)和0.78(Pt/C)，说明PtAuP在酸性介质中的抗毒化能力更强。
　　4.最后，为了同时利用氧空位的优势进一步缓解催化剂中毒问题，采用模板法制备了P-Pd-CeO2和PdO/Pd-CeO2中空球用于催化FAO反应。P的引入可以有效降低P-Pd-CeO2HS催化剂上反生FAO的电位(峰电位为0.152Vvs.SCE)，促进了甲酸的完全氧化，减少了中间毒化物种的生成。CeO2的存在不仅促进了P-Pd或PdO/Pd纳米颗粒的分散，而且其表面吸附的OHads物种可以促进吸附在Pd表面的CO毒化物种的氧化。PdO/Pd-CeO2HS富集新鲜的活性表面，FAO质量比活性可以达到1620.0mAmgPd-1，并且电极在氧化还原循环过程中可以有效避免活性金属Pd的损失。