氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)和析氧反应(OER)是燃料电池和电解水制氢这两种清洁能源转化技术中的核心反应,它们的动力学过程快慢显著依赖于使用的电催化剂的活性高低。目前使用的贵金属铂等催化剂虽然催化活性较高,但它们储量有限、价格昂贵,极大限制了其商业化应用。因此,研发成本较低、但同时仍具有满足实际应用需要的催化活性和稳定性的廉价催化剂来取代贵金属催化剂的使用,是目前上述新能源领域研究的重要课题。过渡金属化合物由于在导电性、稳定性等各项理化性质方面表现突出,加之价格低廉、合成简单,易于作各种修饰,并且其中许多化合物都对氢和氧有较高的亲和力,因此是一类有潜力的催化剂材料。但目前的研究对于材料的结构与性能之间的关系探讨得不够透彻,对于影响催化剂性能的一些关键要素还没有深入的研究。基于此,本论文制备了几种结构特异、性能优良的过渡金属化合物基电催化剂,并分析了其性能增强的机理,取得了一定进展。本文主要研究内容如下:利用高温煅烧将氮化钛(TiN)纳米晶生长在氮掺杂石墨烯(NG)片层的基底上,得到了一种高效的ORR催化剂——TiN/NG复合物。其具有非常高的催化活性,表现出较正的反应电势和较高的反应电流,可以催化ORR以接近四电子传递的路径进行。而且这种复合物具有优于商业Pt/C催化剂的甲醇耐受性和长程稳定性,是一种颇有应用前景的燃料电池阴极ORR电催化剂。以金属有机框架作模板,通过低温煅烧合成了一种空心多面体形的磷化钴(CoP Hollow Polyhedrons)作为高效的双功能电催化剂应用于HER和OER。表面凹陷和空心结构赋予了其较高的比表面积和多孔性,因此活性位点丰富,在催化中表现出较低的反应过电势和Tafel斜率、较高的反应电流和较强的稳定性,显著优于颗粒状的CoP,且和商业的贵金属催化剂相当,具有很大的实际应用潜力。通过低温磷化水热合成的FeOOH/Ti前驱体,制得了一种球簇状磷化铁结构——FeP/Ti,作为高效的电催化剂应用于HER催化。其具有较大的比表面积、多孔性和较高的导电性,在催化中表现出较低的过电势、较高的交换电流密度和良好的长程稳定性,与商业Pt/C催化剂接近。这种无需粘结剂、自支撑型的阴极析氢电极的制备方法可以扩展到许多不同领域的功能电极的制备。