当今社会,随着人口的增加及经济的迅猛发展,人类赖以生存的化石燃料正在日渐枯竭,导致能源危机的不断深化。此外,由于化石燃料的不可再生性以及在使用过程产生大量二氧化硫、氮氧化物及温室气体等,导致了环境的不断恶化。因此,绿色、可持续的新型能源的开发及新型能源转换器件的研究成为了近代社会中亟需解决的课题。其中,燃料电池具有高的能量转换效率、清洁、无污染的突出优势,成为最有希望取代化石能源的能源转换技术。本文针对现有质子交换膜和阴极析氢催化剂两大关键组件的不足,利用石墨烯衍生物、碳纤维毡等碳材料优异的导电性和稳定性。选用磺化聚醚醚酮（SPEEK）为基体,分别用氧化石墨烯（GO）,磺化石墨烯（SG）修饰以制备复合质子膜。以磺化聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）（SPVDF-co-HFP）和甲基纤维素（MC）作为增强体掺杂到SPEEK中制备复合膜。同时,利用一步水热法将Mo S2纳米片生长在碳纤维毡上制得较廉价的高效阴极析氢催化剂。首先,选用阻醇性能优异、造价低和广泛应用于生产的SPEEK作为质子交换膜的基底材料。SG与SPEEK基体以氢键形式交联结合在一起,并改变了其微观结构。另外,SG的引入增加了磺酸基团及其他亲水含氧基团,为复合膜内部提供了大量的质子传输通道。与纯SPEEK膜相比,SG增强膜具有更好的质子传导性和阻醇性能。结果表明,SG/SPEEK复合膜在质子交换膜燃料电池中有很大的应用潜力。再通过溶剂浇铸法成功地制备了由SPEEK,SPVDF-co-HFP和MC组成的纳米复合共混膜。选择SPEEK/SPVDF-co-HFP共混材料作为复合质子交换膜的基础材料,由于SPVDF-co-HFP可以增强共混膜的机械稳定性。紫外交联SPEEK/SPVDF-co-HFP聚合物与MC改性共混膜。发现膜中MC通过将水保留在膜内来增强通过膜的质子转移。与纯SPEEK膜相比,MC交联膜展现出更好的质子传导和阻醇性。结果表明,SPEEK/SPVDF-co-HFP/MC作为燃料电池中的新型质子交换膜具有广阔的应用前景。同时,本文通过在三维碳纤维毡（CFF）框架上原位接枝Mo S2纳米片来设计和合成三维析氢阴极催化剂。作为低成本的析氢催化剂,Mo S2纳米片由于其在三维CFF框架中的均匀分布而具有有效的氢原子吸附活性。同时,三维CFF框架促进电解质渗透到内部空间并加速电子转移,这导致析氢反应（HER）活性的急剧增加。电化学测试结果表明,Mo S2/CFF复合材料在101m V过电位下表现出优异的电催化活性,提供10 m A cm-2的电流密度和3.3×10-2 m A cm-2的高交换电流密度。因此,这种具有出色催化性能和稳定性的三维复合材料在水分解电催化制氢中表现出很大的潜力。