由于传统化石燃料的日益减少以及环境问题的日趋严重,清洁可持续能源的开发与利用变得格外重要。目前,研究者们提出了很多能量存储和转换技术来满足对高功率、高效率清洁能源的需求。氢作为可替代清洁能源是最有前景的能源载体之一。它具有很多优点,如能量密度高、清洁、与其它燃料相比对环境更友好、并可以从丰富的可再生能源中产生。另外,燃料电池(FC)如直接甲醇燃料电池(DMFC)和直接甲酸燃料电池(DFAFC)也是研究的热点。迄今为止,由于贵金属(如铂、铑、铱等)比非贵金属(如铁、钴、镍等)具有更好的催化活性和耐腐蚀性,贵金属仍然被认为是用作析氢反应(HER)和甲醇氧化、甲酸氧化燃料电池阳极部分最佳电催化剂。但是,贵金属的高成本、自然中的低存储量等缺点极大地限制了它们在产氢和燃料电池上的应用。因此,开发可替代的低成本、高效率以及高稳定性的催化剂成为目前的研究热点。其中一种方法是通过控制贵金属的形貌和含量来减少贵金属的用量;另一种是引入其它廉价的材料来代替贵金属设计多功能的催化剂。本文旨在贵金属催化剂的设计与研究,在提高催化活性的同时,降低成本,为电催化的实际应用奠定基础。具体内容如下:(1)用相对廉价的金属银(Ag)代替铂(Pt)作为共催化剂,硅纳米线(SiNWs)作为载体,并利用硅氢键的还原性合成Pt-Ag/SiNW复合物,并测试了它的析氢反应性能。结果表明,最优组分质量比为Pt:Ag:Si=4.1:21.5:74.4。在铂含量低至4.1 wt%时,它具有很好的HER性能。这个设计理念可以极大地增加铂的利用率,为贵金属催化剂提供了新思路。(2)用硅线作为牺牲模板,合成了 Rh颗粒修饰于氟掺杂石墨烯表面的催化剂(Rh/F-graphene)。结果表明,最优的催化剂Rh/F-graphene-2中Rh的含量仅为9.4%,氟的掺杂量为4.0%。Rh/F-graphene-2催化剂作为一个质子吸附主导的多功能电催化剂在酸性介质的HER和甲酸氧化反应(FAOR)中,均显示了比20 wt%Pt/C更良好的电催化性能及更优异的稳定性。这个方法也为多功能贵金属催化剂提供了思路。(3)我们在尿素过氧化氢加合物(UHP)溶液中成功合成了菜花状的金(Ⅲ)尿素复合物([Au(urea)4]Cl3·2H2O)包覆的粒径为100 nm的金纳米颗粒(Au@urea)。在制备过程中,UHP既作为还原剂又作为壳源。甲醇氧化反应(MOR)实验表明,在0.5 M KOH和1.0 M CH3OH的溶液中,20 mV·s-1的扫速下,在0.2 V(vs.SCE)的电位下,可获得15mA·cm-2的阳极电流密度,远高于大多报道的以金颗粒作为甲醇氧化催化剂。此外,Au@urea复合物催化剂在甲醇电催化氧化反应中也表现出较好的稳定性。