燃料电池、金属空气电池、电解水装置都是以电化学催化为基础的新型能源技术。在这些技术当中,会涉及到氧还原(ORR)、氢气氧化(HOR)、析氢(HER)和析氧(OER)等半反应。由于这些反应动力学迟缓、有较高的过电势,所以我们需要找到合适的催化剂来加快其反应进程。目前比较好的催化剂主要是贵金属Pt、Pd、Ir、Ru等材料,但是他们价格昂贵、资源稀缺,限制了新型技术的进一步发展,所以寻找高效廉价的非贵金属催化剂尤为重要。为此,我们瞄准过渡金属Co和Ni,对它们的可控合成和电催化测试应用做了一些研究工作。具体工作如下:一、层状双金属氢氧化物(LDH)是一类具有巨大催化潜力的材料。本章节中,我们通过氧化、插层、剥离等方法制备出单层的带正电的CoNi-LDH纳米片,然后将其和带有负电的氧化石墨烯复合,制备出CoNi-rGO纳米材料。该材料在1 M KOH中显示出十分优异的ORR和OER催化性能。其氧还原半波电位在0.85 V(相对于RHE);OER电流密度为10 mA/cm2时,其相应的电压只有1.56 V,该性能可以和贵金属Ir/C的催化效果相媲美;在6 M KOH电解液中进行电流密度为10 mA/cm2的恒流电解时,经过25000 s后其电势几乎没有任何的衰减。同时该催化剂应用于锌空电池时,也表现出较大的功率密度(300 mW/cm2)和良好的循环稳定性。二、探索廉价高效的HOR催化剂对阴离子交换膜燃料电池的发展十分重要。本章节中,我们通过简单的合成方法制备出氮化镍纳米颗粒(np-Ni3N),并测试了其在0.1 M KOH中的HOR性能。测试结果显示np-Ni3N动力学电流jk.0.05V约为4.17 mA/cm2,质量活性为18.95 mA/mgNi,是目前报道的非贵金属催化剂中活性最好的材料之一,同时氮化镍纳米颗粒也展示出一定的抗CO毒化的能力。之后也测试了该材料在1 M KOH中的析氢性能,发现当电流在10 mA/cm2时,其对应过电势只有0.064 V,几乎可以和20 wt%Pt/C相媲美。总之,纳米材料np-Ni3N展示出非常优异的HOR/HER的催化性能。