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石油、天然气和煤炭等传统化石燃料是目前人类生产生活所需能量的主要来源,它们不可再生,但是这些资源却在近两百年的时间内被人类快速消耗,并且带来了严重的环境污染问题。因此,开发可再生的、绿色无污染的高效能源方式已成为当今社会的一个重大挑战。近年来,从化石燃料发展为以清洁能源为基础的经济逐渐成为一种趋势。其中,电解水制氢、燃料电池、金属-空气电池等是电化学方法获得新能源的典型代表,燃料电池通过电化学反应把燃料中的化学能转化为电能,用燃料和氧气作为原料,产物为水,而电解水技术能够将水电解为氢气和氧气,又可以通过燃料电池等高效转化方式获得电能,形成一个良性的绿色循环。氧电极反应包括氧气的析出反应（oxygen evolution reaction,OER,电解水分解反应的阳极反应）和氧气的还原反应（oxygen reduction reaction,ORR,燃料电池的阴极反应）,两个反应的动力学过程都比较缓慢,成为影响整体能量转换效率的关键因素。目前比较常用的高效OER和ORR催化剂仍然是Ru、Ir和Pt等贵金属基催化剂,但是其价格昂贵,地球储量少且在实际应用中稳定性较差。因此,开发价格低廉且效能较高、性能稳定的可替代贵金属催化剂的新型ORR或OER电催化剂对于新型能源的开发具有十分重要的意义。本论文设计、制备了三类电催化性能高、稳定性好且成本较低的ORR和OER电催化剂,并考察了影响催化性能的相关因素。主要包括以下内容:1.采用水热法制备了含有钴元素的金属有机框架（Co-MOF）结构,并与碳纳米管（CNTs）复合,制备了Co-MOF@CNTs复合材料,用于催化ORR研究,并探究了导电材料碳纳米管的负载量对催化剂在0.1 M KOH电解液中催化ORR性能的影响。MOF材料是由金属离子和有机配体连接组合而成的,是一类具有独特多孔结构的功能材料。但是,MOF材料存在导电性差的问题,限制了其作为电极材料的应用。因此,我们将高导电性的CNTs和Co-MOF复合,既保留了MOF的基本结构,没有破坏活性位点,又大大提高了导电性能。研究表明,CNTs的加入对Co-MOF材料在碱性电解液中的ORR性能有明显的促进作用,并且和CNTs的负载量有关。CNTs的载量为15 wt%时,Co-MOF@CNTs表现出最佳的ORR活性,ORR起始电位为0.85 V,半波电位为0.79 V,电子转移数为3.7,接近4电子转移过程。半波电位和电子转移数均略低于商业Pt/C催化剂,表现出了良好的ORR催化活性。2.以Cu-MOF为前驱体,通过离子交换法制备RuCu非晶样品,在空气气氛中一步煅烧合成Cu掺杂的RuO2复合材料（Cu-RuO2）,并在酸性电解液中进行了OER电催化性能的测试,探究了煅烧温度对Cu-RuO2在0.5 M H2SO4电解液中催化OER性能的影响。研究发现,在煅烧温度为300°C时制得的Cu-RuO2-300表现出最佳的OER催化活性,在电流密度为10 mA cm-2的条件下,Cu-RuO2-300上OER的过电势为197 mV,比商业RuO2催化剂低40 mV;塔菲尔斜率为41.6 mV dec-1,也低于商业RuO2催化剂(49.7 mV dec-1),表现了良好的催化活性和较快的OER反应动力学。对于Cu-RuO2-300,在24小时的计时电位曲线测试中,电势没有发生明显的改变,表明Cu-RuO2-300在酸性条件下催化OER具有较高的稳定性。由此可见,通过掺杂廉价的过渡金属铜,制备得到的Cu-RuO2能显著提高钌基金属催化剂对OER的催化活性和稳定性。3.采用水热法制备了镍铁双金属氢氧化物（NiFe layered double hydroxide,NiFe LDH）以及钴离子掺杂的NiFe LDH（Co-NiFe LDH）。电化学测试结果表明,在1.0 M KOH中,钴离子的引入对NiFe LDH催化OER活性有明显的促进作用。Co-NiFe LDH只需要278 mV的过电势就能达到10 mA cm-2的电流密度,分别比NiFe LDH（328 mV）和商业RuO2催化剂（298 mV）低50 mV和20 mV。塔菲尔斜率为54.2 mV dec-1,低于NiFe LDH(59.9 m V dec-1)和商业RuO2催化剂(59.1 mV dec-1)。在1.5 V（vs.RHE）的电势下,经过20小时的稳定性测试后,电流密度没有明显的衰减,而且催化剂形貌基本保持不变,表现了良好的稳定性。通过在镍铁双金属主层板引入钴离子,增大了催化剂的比表面积,同时使得LDH的电子结构发生变化,更加有利于电子转移和氧气气泡在催化剂表面的释放,从而提高了LDH催化剂的电催化OER性能,本工作对设计、制备高性能非贵金属OER电催化剂具有一定的参考价值。