环境污染和能源困境促使开发绿色高效能源转换系统的需求迅速增加,例如锌空气电池、燃料电池和电解水装置等。这些系统的运行都是基于氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）和析氢反应（HER）等电化学反应,但其缓慢的反应动力学和较高的过电位严重地阻碍了这些能量转换系统的广泛应用。虽然贵金属基材料（Pt、Ru、Ir及其氧化物等）当下是这类反应最理想的催化剂,但储量不足、耐久性欠佳使它们难以大规模应用。因此,高效、廉价、稳定的电催化剂的设计开发是锌空气电池、电解水系统和燃料电池广泛应用的关键。以高效非贵金属催化剂的设计和开发为目的,本论文进行了以下四方面研究。1.选择钼（Mo）、镍（Ni）、铁（Fe）三种过渡金属,利用溶剂热法制备出Mo Ni Fe三金属纳米材料,筛选出水合肼作为最优还原剂。通过物性测试发现Mo Ni Fe-H具有纳米尺寸颗粒的形貌,而且水合肼的还原使催化剂中出现合金化的金属镍和钼,这为催化剂带来更多的活性位点。因此,Mo Ni Fe-H具有OER和ORR的催化活性,值得注意的是50 m A cm-2时OER的电位仅为1.662 V vs RHE。组装成锌空气电池后,达到1.319 V的开路电压和572 m Ah g-1的比容量。2.使用Hummers法制得氧化石墨烯（GO）后,通过水热法修饰上环糊精（CD）并与泡沫镍（NF）载体结合,最终得到GO-CD/NF复合材料。CD的修饰不仅使GO的形貌由光滑平整的片层转变为卷曲粗糙的片层,而且还为GO带来更多的缺陷。因此,催化剂表面的电子传输速率和活性位点增加,使得GO-CD/NF的OER和ORR催化活性接近Ir O2/NF和Pt/C,而且稳定性良好。此外,与Ir O2+Pt/C相比,GO-CD/NF作空气电极的锌空气电池比容量达到675 m Ah g-1而且电压间隙更小。3.采用热解法制得所需的纳米碳材料（NCM）,在NCM的存在下,通过原位水热法在NF基底上生长Ni Co-LDH,最终制备出具有片层交织形貌的Ni Co-LDH/NCM/NF复合材料。其具有超越Ir O2/NF的OER性能和接近Pt/C的ORR性能以及优异的稳定性,这得益于NCM的引入和高导电性NF的支撑作用。与商用催化剂相比,Ni Co-LDH/NCM/NF基锌空气电池显示出高达156 m W cm-2的功率密度、683 m Ah g-1的比容量和500个充放电循环的出色稳定性。4.通过水热法以NF作为生长基底制备出了纳米针状Ni Co2O4包覆MXenes的Ni Co2O4/MXenes/NF复合材料。Ni Co2O4/MXenes/NF较大的比表面积以及各组分的协同作用促使其在尿素和水合肼溶液中展现出优异电催化性能,阴阳极反应的电势差?E100分别为1.618 V和0.337 V。将Ni Co2O4/MXenes/NF作为电极电解尿素和水合肼溶液制氢时,具有比电解纯水（1.857 V）更小的分解电压,分别为1.619 V和0.646 V。