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能源危机和环境污染对人类的生存和发展已经构成了挑战。基于可持续发展的战略需求,人类对于能源的需求正努力由传统的化石能源向新能源过渡,大力发展清洁新能源技术是世界各国必然选择的道路。其中,燃料电池和电化学分解水制氢技术作为两种绿色环保的电化学能源转换和生产技术,被认为是解决能源危机和环境污染问题的有效途径。围绕这两种新型电化学能源转换与生产技术已经开展了大量研究工作并取得了一系列进展。目前,制约直接甲醇燃料电池和电化学分解水技术规模化商业应用的主要问题是对高成本贵金属Pt和RuO2/IrO2等电催化材料的依赖。因此,探索、设计和开发具有快速甲醇氧化和水分解反应动力学的非贵金属电催化材料是当前该领域的主攻方向。本论文结合当前电催化材料领域研究新动向,以开发高效稳定的非贵金属电催化材料为出发点,系统研究了几种纳米结构非贵金属催化材料的电催化性能,探究其在电化学能源转换和生产领域潜在的应用价值。我们选取Ni-Co、Ni-Cu以及CoS等非贵过渡金属基材料作为研究对象,主要基于电化学沉积制备手段来构建相关材料的纳米结构,通过调控制备实验参数来优化材料的组成、形貌、晶体结构和电子结构,系统研究了材料的电催化性能。本论文的主要研究内容大致分为两大部分:一、以直接甲醇燃料电池阳极催化剂电催化氧化甲醇为研究背景,选取非贵过渡金属Ni基电催化材料,采用电化学沉积法在钛片基底上分别制备了双金属Ni-Co和Ni-Cu合金纳米结构材料,系统地探究了它们对甲醇电催化氧化特性并分析了合金化Ni-基纳米材料对甲醇电催化氧化性能提高的作用机制;二、以电化学分解水制氢为研究背景,选取非贵过渡金属化合物CoS为研究对象,采用电化学沉积和高温煅烧手段在泡沫镍基底上分别制备了比本征材料电催化活性更高的金属Ni掺杂的Ni0.1Co0.9S纳米片及金属Ni和非金属P共掺杂的Ni0.1Co0.9S|P纳米片作为双功能电催化分解水电极材料,通过系统地表征和测试探索论证了两种掺杂途径的原理及实际效果。论文主要研究内容及结论如下:（1）基于电化学沉积过程中大沉积电流密度下诱导的扩散过程控制的沉积生长,有助于构筑多孔敞开式微纳米结构材料的原理,我们制备得到了一系列不同Ni/Co原子百分含量的双金属NimCon（m+n=4）合金微纳米材料。由于六方紧密堆积晶体结构Co的引入,随着Co原子百分含量的增大,合金NimCon微纳米材料的表面形貌和晶体结构变化明显。当Ni/Co原子百分比为1:1时,Ni2Co2合金微纳米材料由表面为“海参”状截面为微纳米阵列的结构单元随机排列组成。该Ni2Co2合金微纳米材料由于表面敞开式的多孔结构表现出较大的电化学活性表面和表面Ni（II）/Ni（III）氧化还原物种覆盖度。基于密度泛函理论的理论计算研究发现,当Ni/Co原子比为1:1时,Ni2Co2合金团簇表现出较低的甲醇氧化中间产物（CO）ads吸附能,因而能显著降低催化剂的（CO）ads毒化作用。电化学活性表面、表面氧化还原Ni（II）/Ni（III）物种覆盖度和（CO）ads吸附能三个关键因素相互作用最终导致Ni2Co2合金催化剂表现出最好的甲醇电催化氧化活性和稳定性。（2）同样基于扩散过程控制的电化学沉积原理,我们采用氢气析出辅助的电沉积手段制备得到了一系列不同Ni/Cu原子百分比的三维高度分枝层级NixCuy（x+y=1）合金纳米网络状材料。氢气析出辅助的电化学沉积受扩散过程控制导致了高度分枝结构NixCuy结构的形成。由于Ni和Cu均表现出面心立方晶体结构,因此沉积得到的NixCuy的表面形貌和晶体结构非常相似。此外,NixCuy合金催化剂晶体结构表现出（111）晶面取向生长。当Ni/Cu原子比为3:1时,Ni0.75Cu0.25合金催化剂表现出了快速的电化学响应速率。作为碱性电解质溶液中甲醇氧化反应的电催化剂,Ni0.75Cu0.25合金催化剂展现出较高的氧化峰电流密度(140 mA cm-2)和较好的计时电流稳定性。（3）采用电化学沉积法实现了微量掺杂金属Ni元素的Ni0.1Co0.9S纳米片的可控制备,构筑了Ni0.1Co0.9S@Ni Foam自支撑电极用于电化学全分解水。金属Ni掺杂后的Ni0.1Co0.9S纳米片催化剂对HER和OER催化活性较CoS纳米片催化剂均得到了进一步的提高。在碱性条件下,Ni0.1Co0.9S纳米片催化剂在催化产氢和催化产氧电流密度为10 mA cm-2时过电位仅分别为108 mV和287 mV,显著低于CoS纳米片催化剂的133 mV和320 mV。将Ni0.1Co0.9S@Ni Foam自支撑电极用于电化学全分解水,在1.61 V电压下,水的全分解电流密度可以达到10 mA cm-2。（4）采用电化学沉积法结合高温磷化处理实现了微量共掺杂金属Ni和非金属P元素的Ni0.1Co0.9S|P纳米片的可控制备,构筑了Ni0.1Co0.9S|P@Ni Foam自支撑电极用于电化学全分解水。金属Ni和非金属P共掺杂后的Ni0.1Co0.9S|P纳米片催化剂对HER和OER催化活性较Ni0.1Co0.9S纳米片催化剂均得到了进一步的提高。在碱性条件下,Ni0.1Co0.9S|P纳米片催化剂在催化产氢和催化产氧电流密度为10 mA cm-2时过电位仅分别为83 mV和260 mV。将Ni0.1Co0.9S|P@Ni Foam自支撑电极用于电化学全分解水,在1.57 V电压下,水的全分解电流密度可以达到10 mA cm-2。本论文的研究工作可以为今后电催化材料的设计、制备、表征以及性能研究等提供一定的方法手段参考,为新型能源器件中主要催化材料的设计和构筑提供一定的理念和理论基础。