日益加剧的全球能源和环境问题,给人类社会带来重大影响。开发经济、高效和可持续的能源储存、转换体系为解决能源和环境问题提供了可行的方案。在众多的能源储存转化体系中,电解水制氢及金属空气电池装置具有高效、稳定、可持续的优点和广泛的应用前景,因而受到了广泛的关注。这些装置的运行主要涉及到了三种关键的电催化反应,即析氢反应（Hydrogen evolution reaction,HER）、析氧反应（Oxygen evolution reaction,OER）及氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）。然而这些电催化反应都不能在理论分解电位下进行,通常需要很大的过电位驱动才能发生。因此,设计合成结构稳定、具有高反应效率的电催化剂非常关键。目前广泛使用的贵金属基催化剂,如Pt/C、RuO₂和IrO₂等对反应过程展现出较好的催化活性,但贵金属在地壳中丰度很低且价格昂贵,因而严重阻碍了其大规模应用。设计合成廉价、高效、多功能的电催化剂对于打破电化学能量转换设备应用瓶颈及缓解能源问题至关重要。本文从过渡金属钴基材料出发,以提升催化剂催化性能,开发多功能电催化剂为导向开展工作:1)优化传统的锂离子电池正极层状材料LiCoO₂在电催化析氧反应中的催化性能;2)以钴基金属有机骨架ZIF-67为前躯体,设计合成多功能电催化剂并应用于析氢、析氧、氧还原反应。本文为优化层状化合物电催化性能及多功能电催化剂的设计合成提供了新的研究思路。取得的成果如下:（1）Fe离子掺杂的LiCoO₂纳米片的合成及其OER性能:首先通过溶胶-凝胶及高温煅烧的方法制备了Fe离子掺杂的LiCoO₂材料（LCFO82 bulk）。以LCFO82 bulk为前驱体,通过软化学方法进一步剥离,得到了Fe离子掺杂LiCoO₂纳米片状材料（LCFO82 NS）。与LCFO82 bulk相比,LCFO82 NS的OER性能得到了显著提升。仅需343 mV过电位即可使得电流密度达到10 mA cm^-2,塔菲尔斜率为37.8 mV dec^-1。光谱和结构表征显示:剥离后得到的LCFO82 NS比表面积增加,有利于暴露更多活性位点,使得纳米片表面拥有更多的羟基和吸附氧物种,同时在纳米片中存在高价Co离子有利于促进OOH物种脱质子形成O₂。本工作为开发其他Fe离子掺杂层状过渡金属氧化物纳米片电催化剂提供了新思路。（2）核双壳层的纳米异质结构材料（Co₉S₈@Co₉S₈@MoS₂-0.5）的合成与电催化性能:通过两个合成过程制备了一种对于HER、OER和ORR都具有催化活性的核双壳层的纳米异质结构材料（Co₉S₈@Co₉S₈@MoS₂-0.5）。首先,将钴基金属有机骨架ZIF-67硫化后煅烧得到核壳结构的前驱体Co@Co₉S₈;再通过水热法在Co@Co₉S₈前体表面生长MoS₂,在此过程中前驱体Co@Co₉S₈为后续MoS₂提供了生长基面,有效的抑制了MoS₂合成过程中的团聚,同时Co核也被硫化剂L-半胱氨酸硫化。在碱性条件下进行HER、OER性能测试,在电流密度达到10 mA cm^-2时分别需要173和340 mV过电位。此外Co₉S₈@Co₉S₈@MoS₂-0.5催化氧还原反应其半波电位为0.77 V,在0.6 V vs.RHE处极限电流为4.76 mA cm^-2。