氢气因其可再生、清洁和质量能量密度高等优点而被视为一种极具前景的能源载体。通过水基电解池与氢燃料电池,我们就可以实现以氢气为能源载体的能量存储与转换。由于过电势的存在,基于电极反应发生的能量转换过程效率受限,为此需要电催化剂加快电极反应的进行从而提高能量转换效率。Pt/C电催化剂性能优异,但Pt储量稀少,价格昂贵。此外,Pt与碳载体相互作用弱,Pt纳米颗粒易出现团聚、脱落等问题从而造成催化性能下降。开发低成本、高活性与高稳定性的电催化剂仍然是个重大挑战。Pd的电子结构和化学性质与Pt类似,并且价格相对较低,被视为Pt的替代元素之一。对于因贵金属与碳载体结合力弱而引发的稳定性问题,一方面可利用金属-载体强相互作用,使Pd纳米颗粒稳定分布在载体上;另一方面,使Pd与载体之间形成化学键合,实现Pd的原子级分散,调节催化剂整体的晶体结构与电子结构,从而提升催化活性和稳定性。铌氧族化合物物相与结构丰富,化学稳定性好,在催化领域有着潜在的应用价值。本论文基于化学热力学计算与晶体结构设计,合成出Pd负载的低价态铌氧化物（Pd/NbO_x）和Pd插层的硫化铌（Pd_x NbS₂）材料,研究了它们的电催化性能,取得的成果如下:（1）发明了La还原纳米Nb₂O₅可控制备NbO、NbO₂、Nb₁₂O₂₉和Nb₂O_5-x纳米粉体的方法。通过拉曼光谱、电子顺磁共振谱以及X射线光电子能谱表征发现黑色的Nb₂O_5-x比白色的Nb₂O₅具有更高的氧空位缺陷浓度。将Pd纳米颗粒负载在这四种NbO_x纳米粉体上制备出Pd/NbO_x复合材料,获得了不错的电催化氧还原（ORR）性能。其中,Pd/Nb₂O_5-x比商业Pd/C催化剂表现出更大的半波电势和起始电势,更好的循环稳定性和抗甲醇特性。这种优异的ORR性能来源于Pd与Nb₂O_5-x的金属-载体强相互作用,即Nb₂O_5-x向Pd转移电子,不仅使得Pd更稳定地分布在载体表面,还调节了Pd的电子结构,有利于Pd表面对O₂的吸附,从而便于ORR的进行。（2）将Pd引入NbS₂层间,合成了一系列新化合物Pd_xNbS₂（x=0⁰.23）,并通过X射线单晶衍射解析了Pd_0.23NbS₂的晶体结构。经过电化学测试表征发现,Pd_xNbS₂具有不错的电催化析氢（HER）性能,并且Pd含量越高,其性能越好。性能最佳的Pd_0.23NbS₂,其Tafel斜率为50 mV dec^-1,起始电势为99 mV,在电流密度为10 mA cm^-2的过电势仅为157 mV,并在长达12小时的恒电流测试中几乎保持不变。基于结构表征与理论计算,我们将Pd_xNbS₂中HER性能的提升机理归结为Pd的“原子柱撑效应”。作为“原子柱”的Pd不仅扩大了NbS₂的层间距,还优化了处在其周围的S原子HER活性,使其氢吸附自由能降至0.06eV。这有利于质子扩散至NbS₂层间并吸附在层内S原子处进行析氢反应。并且,Pd-S键的存在调节了Nb-S层的电荷分布,使Pd_xNbS₂电子电导增加。此外,插层的Pd通过形成[PdS₆]八面体连接相邻的Nb-S层,使得晶体结构更稳定,因此,Pd_0.23NbS₂表现出优异的电化学稳定性。