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随着地球能源的不断衰减以及世界人民对可持续能源日益增长的需求,环境友好型的能源装置受到了越来越多的关注。其中,燃料电池、金属空气电池和锌空气电池由于其安全性和理论上高的能量密度,已经被视为非常有前途的能源系统。经过几十年来研究人员的不懈努力,这类电池已经在许多领域进行了试验性应用,这充分意味新型能源的无限潜力。然而,在不断发展过程中,仍然存在着许多问题,例如,高昂的造价,对甲醇的低耐受度以及长时间较差的稳定性。氧还原反应（ORR）,氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）缓慢的反应动力学都是影响这类电池发展的主要因素。一般来说,通常使用Pt或者Pt基催化剂作为ORR和HER的电化学催化剂,用RuO2做OER的电化学催化剂。而这些贵金属高昂的造假从某种程度上限制了燃料电池的实际应用。因此,我们还需付出很大的努力去探索新型、便宜和丰度高的电催化剂。在本论文中,我们主要采用的是简单的水热法,设计并合成了一系列有特殊结构和形貌的纳米组装非贵金属催化剂。我们讨论了详细的合成步骤、主要的机理和催化剂的性能。这些优秀的双功能甚至是三功能电催化剂对提供一些有关燃料电池的理论和实验数据以及新的想法有着重大的意义。主要的内容被总结如下:首先,我们成功地设计并合成了一种新型花状Ni和N共掺杂的层级多孔碳)微球（F-Ni/N-HPCMs）,该催化剂表现出优秀的ORR和OER性能。这种F-Ni/N-HPCMs催化剂通过简单的两步法合成,成本不高,是由许多直径为1.7μm的花状微球组成,组成这些微球的纳米片的平均厚度约为25 nm。F-Ni/N-HPCMs催化剂显示出一个较小的起始电位（1.54 V vs.RHE）和一个较大的电流密度（28.6 m A cm-2）,都略好于Pt/C。这种好的电催化性能可归因于催化剂拥有较多的活性位点,例如,吡啶N,石墨N和金属-氮键（M-Nx）。这些具有层级结构和独特形貌的催化剂,为快速的电子转移和O2的运输提供了充足的微孔、中孔和大孔。此外,F-Ni/N-HPCMs催化剂拥有相当大的比表面积,达到了743.2 m2g-1,这同样可以使之拥有更多的活性位点。因此,F-Ni/N-HPCMs能够展现出卓越的ORR和OER性能以及在H2–O2碱性电解质中表现优秀。另外,我们使用了一种简单温和的水热法合成了一种新型的层级Co9S8多孔微球,该催化剂表现出优秀的ORR、OER和HER三功能催化性能。醋酸钴,硫代乙酰胺和谷胱甘肽被用作原材料,在140C反应12 h,得到直径大约为800 nm Co9S8 HMs-140。Co9S8 HMs-140的形成过程是奥斯特瓦尔德熟化过程。空心的Co9S8微球是由实心球随温度变化而转化得到的。由于粗糙的表明和空心的微球结构,Co9S8 HMs-140在同种碱性介质中展现出良好的ORR,OER和HER性能。与商业RuO2催化剂比较,表现出较小的OER起始电位,1.47V vs.RHE和最大的极限电流密度35.0 mA cm-2,在水裂解中也表现出优秀的性能,法拉第效率达到96%。最后,Co（OH）Cl催化剂是用简单的一锅法制备而成的,使用的是醋酸钴,氯化铵和水合肼作为原材料,且在水热反应中没有添加任何的表面活性剂。得到的这种3D层级Co（OH）Cl是由2D纳米片组装而成,这使得催化剂拥有很高的比表面积和很多活性位点。由OER,HER和水裂解实验可以得出,Co（OH）Cl是一种良好的双功能催化剂。Co（OH）Cl比RuO2表现出更大的电流密度(28.2 m A cm-2),它的起始电位（1.52V vs.RHE）与RuO2的相差不多。且Co（OH）Cl水裂解反应过程中法拉第效率是95%。总之,经过设计,我们合成了一系列具有特殊结构和形貌的Co基和Ni基非贵金属催化剂,并展现出优秀的ORR,OER和HER催化性能。这些双功能,甚至三功能催化剂在将来新型能源装置应用中有巨大的潜力。