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能源对人类社会的发展起着重要作用,同时也影响和制约着国家综合实力的发展。然而科学技术和工业化的迅速发展,带来的是日益增大的能源需求,迄今为止,地球上所有国家的日常能源需求几乎完全依赖不可再生的传统化石能源来满足。一方面,化石能源的快速消耗使人类面临能源供应枯竭的危机。另一方面,化石能源的大量使用以全球变暖的形式对环境造成巨大的影响,对人类的生存和发展造成了严重的威胁。因而,人类社会对于寻找高效、清洁、可再生能源的呼声越来越大,清洁能源的研究和开发在未来几十年中至关重要。目前用于清洁能源转换的科学技术设备,例如燃料电池、金属空气电池和电解水等,这些能源转换技术共同的核心是一系列电化学过程。主要涉及氧还原反应（oxygen reduction reaction,简称:ORR）、氢气和氧气析出反应（hydrogen evolution reaction,简称:HER和oxygen evolution reaction,简称:OER）和氢氧化反应（hydrogen oxidation reaction,简称:HOR）。上述许多电化学都存在动力学缓慢的问题,因此必须使用催化剂提高反应速率。然而,用于这些工艺的最有效的催化剂是昂贵且稀有的贵金属催化剂,如Pt、Ir等。这些催化剂的高成本和低储量成为它们商业化的最大障碍。因此,提高贵金属的利用率和提升催化剂的性能对于上述能源工艺而言至关重要。本论文主要研究了以石墨烯为基底的铂单原子催化剂以及钌纳米团簇催化剂的合成方法与催化性能。详细研究内容和研究结论如下:1、利用苯胺锚定和微波还原的方法在石墨烯上负载铂单原子（Pt atoms anchored on aniline-stacked graphene简称:Pt SASs/AG）用作析氢催化剂。该方法简单易行,同时该方法利用石墨烯良好的导电性能,反应条件温和、制备过程中无需高温处理,除此之外,它不受贵金属前驱体用量多少的影响,最终均能形成单原子位点均匀分散在石墨烯表面。该实验方案很好地解决了单原子催化剂在电催化体系应用中的技术瓶颈。研究发现,Pt SASs/AG具有优异的HER活性,在电流密度为10mA·cm-2时过电势η=12 mV,在η=50 mV时质量电流密度高达22400 A·g-11 Pt,比市售20 wt.%Pt/C的质量电流密度高46倍。此外,Pt SASs/AG催化剂比Pt/C具有更优越的稳定性。球差校正的高角度环形暗场扫描透射电镜（Aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning TEM,简称:AC-HAADF-STEM）和X射线吸收精细结构光谱（X-ray Absorption Fine Structure,简称:XAFS）结果表明,利用苯胺锚定的铂单原子分散良好,没有形成团簇。密度泛函理论（Density functional theoretical,简称:DFT）计算结果显示,原子级分散的Pt位点与苯胺上的氮结合优化了Pt的电子结构和氢吸附能,是Pt单原子具有优异的HER催化活性的本质原因。该研究为开发具有高活性和稳定性的单Pt原子电催化剂提供了一条新途径。2、我们通过将Ru（phen）2Cl2,H3BO3和石墨烯的混合物进行高温热解合成了固定在B、N共掺杂石墨烯上的Ru纳米团簇（Ru nanoclusters anchored on B,N-doped graphene,简称Ru NCs/BNC）。在这项研究中,H3BO3不仅用以提供硼源以形成B,N掺杂的石墨烯,而且还是防止Ru发生团聚的重要因素。硼和Ru NCs之间的电子相互作用加速了H-OH键的裂解,改变了HER机制,降低了H2形成的活化能,使Ru NCs/BNG具有优异的碱性HER活性,在10 mA·cm-2下,η=14 mV,优于20 wt.%Pt/C。此外,Ru的价格仅为Pt的4%,这使得Ru NCs/BNC成为相对低成本但高效的HER催化剂,具有较大的商业化前景。