氢能是可再生能源蓝图中的重要组成部分,而电解水制氢和氢氧燃料电池是氢能应用中的两大决定性器件,形成一个清洁能源循环模式。析氧反应（oxygen evolution reaction,OER）、析氢反应（hydrogen evolution reaction,HER）和氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）是上述两类能源器件中的重要半反应,但由于其动力学迟缓,均需要使用昂贵的贵金属催化剂,如ORR和HER最好的催化剂是Pt/C,而OER普遍使用IrO₂/RuO₂催化剂;而贵金属资源有限、成本较高,限制了其大规模应用。为了解决这一困难,学术界产业界进行了大量深入研究,一方面通过降低催化剂中贵金属负载量、提高催化活性和稳定性来缓解对贵金属的依赖,另一方面着力发展非贵金属催化剂。本文以仿生聚多巴胺（PDA）为通用前驱体,利用其对过渡金属离子的螯合能力,开发了一种简便有效的合成方法,制备了几种过渡金属-碳复合催化剂并对其电催化活性进行了系统的研究,主要工作如下:（1）制备了负载MnFe₂O₄/Fe纳米粒子氮掺杂碳材料（Fe/Mn-N-C）并研究了其ORR和OER催化性能。非贵金属-氮-碳结构（M-N-C）催化剂已经证明是最有前景的ORR/OER非贵金属催化剂之一。本论文采用简单的“一锅法”合成了螯合Fe/Mn离子的PDA前驱体,后续的高温热解将其转化成Fe/Mn-N-C复合材料。对这种催化剂进行了系统的组分研究及电化学表征,结果表明该催化剂含有尖晶石MnFe₂O₄/金属铁杂化纳米粒子,包覆于N掺杂的空心碳球中,具有协同增效的ORR/OER活性。在碱性溶液中它显示了与Pt/C相当的ORR活性和接近工业RuO₂催化剂的极好的OER活性。当在锌空气电池中测试时,它表现出优异的性能,包括功率密度,耐用性和循环。（2）制备了负载Ir纳米粒子的N掺杂石墨烯（Ir@N-G-750）并研究了其HER/OER以及电解水的催化性能。利用PDA修饰GO的同时可以有效螯合Ir离子合成了Ir-PDA-GO前驱体,随后的惰性气氛高温热解将其转化成Ir@N-G-750,研究结果了Ir@N-G-750是一种新型的双功能电催化剂,用于高效的水分解。在酸性和碱性电解质中,对HER和OER均表现出良好的电催化活性和稳定性。进一步的研究表明:Ir@N-G-750中存在丰富的Ir-N配位作用,这增强了Ir原子中的电子密度,使得Ir纳米粒子的电子结构发生了改变,提高了其电化学催化活性和稳定性。（3）制备了负载Rh₂P纳米粒子的氮掺杂碳布（Rh₂P@N/P-CC）催化剂并研究了其HER/OER催化性能。利用PDA修饰碳布,吸附贵金属Rh离子,再通过水热法螯合植酸,制备Rh/P-PDA-CC,随后的惰性气氛高温热解将其转化成Rh₂P@N/P-CC。研究结果表明了Rh₂P@N/P-CC是一种新型的双功能电催化剂。在酸性电解质中,对HER表现出良好的电催化活性和稳定性;在碱性电解质中,Rh₂P@N/P-CC对OER表现出良好的电催化活性和稳定性。本硕士论文利用聚多巴胺发展了一种简单通用的电催化剂制备方法,该方法在高效电化学催化剂的开发方面具有巨大的潜力。本论文中通过改变过渡金属种类、浓度、采用二元过渡金属等,开发了三种高效电催化剂,并对其催化行为进行了细致研究,在催化剂的催化机理、构效关系等方面进行了有益探索。