随着工业化的进一步发展和全球人口的不断增加,人类社会面临着日益严重的资源枯竭和环境污染危机。此外,石油、煤炭、天然气等化石能源的过度消耗加剧了日益严重的能源危机和环境污染。因此,探索和开发可再生可持续清洁能源替代化石燃料已成为催化和能源研究领域的一个重要研究方向。特别令人感兴趣的是氢燃料电池、电解水制氢和金属-空气电池作为清洁能源储存和转换装置的研究,这些装置主要依靠电催化反应（如氧还原反应（ORR）、氧析出反应（OER）、氢析出反应（HER）等）以及电极材料上发生的电荷转移过程来转换电能和化学能。而电催化剂是该类装置电极材料的核心部件,电催化反应的热力学和动力学过程与电催化剂的物理性质和化学状态密切相关。同时,几乎所有这些电化学反应严重依赖于铂、铱、钌等贵金属材料的使用以减少过电压并加速催化反应,而贵金属催化剂面临着高昂的成本代价,稀缺的资源储量以及差的循环稳定性等问题。因此,进一步开发低成本、耐用的电催化剂,有效地促进这些阴极上的电催化反应,仍然是该技术的阿基里斯之踵,严重阻碍了其广泛应用。本论文以研究可取代当前商用的贵金属Pt、Ir、Ru,低成本且性能优异的碳基催化剂为目标,对材料的微观结构进行设计调控,使其暴露更多的电催化活性位点。开发与构筑了一系列新型高效稳定的基于碳负载的多功效的非贵金属锌基单金属原子以及锌钌双金属原子电催化剂,并应用于ORR/OER/HER等催化行为。采用电化学技术、谱学显微技术等深入研究了其材料的催化行为本质,主要研究内容如下:1、采用高温热解法,以富含N、C的壳聚糖为碳源和氮源,以氯化锌作为金属盐前驱体。探究了不同的前驱体壳聚糖的含量以及不同的热解温度对其催化剂性能的影响,制备出的三功效的具有高活性及高稳定性锌单原子催化剂（Zn-900-0.8）,并对其分别进行了ORR/OER/HER等催化行为的测试研究。结果表明该催化剂在0.1mol L-1KOH电解液中的ORR的半波电位为0.925 V vs.RHE,初始电位为1.012 V vs.RHE,优于商业Pt/C(E1/2=0.864 V,Eonset=0.986 V)。在测试OER反应时,当电流密度小于50 m A cm-2时,该催化剂所需的过电位仅为328 m V,优于商业Ir O2所需的过电位379 m V。测试HER性能时,当电流密度小于50 m A cm-2时,所需的过电位为204 m V,媲美于同电流密度下的商业Pt/C（35 m V）和Ir O2（73 m V）。可以看出该催化剂在碱性ORR/OER/HER的测试中均展示出了优异的性能,且其首次被应用于OER反应中,为电解水电催化剂的商业应用提供了一种新的思路。2、采用高温热解法,以富含N、C的壳聚糖为碳源和氮源,以氯化锌和三氯化钌作为金属盐前驱体。探究了不同的前驱体壳聚糖的含量、不同三氯化钌的加入量以及不同的热解温度对其催化剂性能的影响,制备出具有高活性及高稳定性的三功效的锌钌双原子催化剂（Zn Ru-850-0.9-2m L）,并对其分别进行了ORR/OER/HER等催化行为的测试研究。结果表明该催化剂在0.1mol L-1KOH电解液中的ORR的半波电位为0.860 V vs.RHE,初始电位为0.984 V vs.RHE,媲美于商业Pt/C(E1/2=0.864 V,Eonset=0.986 V)。在测试OER反应时,当电流密度小于50 m A cm-2时,该催化剂所需的过电位仅为313 m V,优于商业Ir O2所需的过电位379 m V。测试HER性能时,当电流密度小于50 m A cm-2时,所需的过电位为271 m V,媲美于同电流密度下的商业Pt/C（35 m V）和Ir O2（73 m V）。可以看出该催化剂在碱性ORR/OER/HER的测试中均展示出了优异的性能,借助于双原子两原子间的协同效应,为贵金属与非贵金属结合制备双原子催化剂提供了可行性参考思路。