随着能源危机与环境污染日益严重,使用高效的能源存储与转化技术成为缓解能源危机的一种途径。通过电解水制氢气,制得的氢气作为燃料应用于氢燃料电池完成能源的存储与转化,此过程涉及的氢析出反应与氧还原反应两个半反应,由于其过电位较高,极大限制其技术的发展。尽管铂基催化剂具有过电位低、反应动力学快等优点,但其自身的稀缺性与昂贵的价格使其无法得到大规模应用,开发高效低成本的催化剂具有很大意义。本论文主要在以下三个方面做出研究:首先,采用一种原位合成法,利用双氰胺与D-氨基葡萄糖盐酸盐分别作为氮源与碳源,将氯化钯、双氰胺、D-氨基葡萄糖盐酸盐充分混合,利用热解过程中的还原性气氛还原氯化钯原位生成氯化钯纳米颗粒,得到氮掺杂多孔碳纳米片负载钯颗粒催化剂,用于催化ORR反应,其起始电位与半波电位分别为0.97 V与0.82 V,为ORR提供了一种环境友好催化剂的制备方法。其次,为了获得粒径尺寸更加均一、性能更加稳定高效地贵金属纳米团簇催化剂,本论文合成了Au4Pd2（PET）8纳米团簇,再将金钯纳米团簇均匀分散到碳纳米片上,通过热解去除配体,得到碳纳米片负载金钯纳米团簇催化剂。相比于纳米颗粒,纳米团簇具有更加精准的结构与更加精确的活性位点,有利于提高催化剂的催化活性位点。将该催化剂用于催化ORR反应,起始电位与半波电位分别为0.95 V与0.81 V;在HER反应中,其电流密度为10 m A/cm2时的过电位仅为129 m V。同时,该催化剂还在锌空气电池中表现出优异的充放电稳定性。由于团簇中金属个数较少,易发生畸变、团聚等现象,使用更大的金属团簇作为活性位点是更好的选择。为研究单原子掺杂对金纳米团簇的电催化活性影响,本论文还进一步采用MAu24（PET）18（M=Au,Pd,Pt）纳米团簇代替Au4Pd2（PET）8纳米团簇,通过比较不同杂原子掺杂Au25团簇对性能的影响,实现单原子调控的双金属团簇催化剂的精准构建探究单原子调控的双金属团簇内异质原子的协同效应及双金属团簇与载体间的相互作用对催化活性的影响。其ORR催化活性大小为Pt Au24>Pd Au24>Au25,HER催化活性大小为Pt Au24>Pd Au24>Au25;对Pt Au24进行不同负载量的研究,当贵金属掺杂量为10%时,催化性能最好,催化ORR反应起始电位为0.96 V,半波电位为0.82 V;催化HER反应在10 m A/cm2下过电位仅9 m V,其析氢性能好于商业Pt/C。本论文利用具有确定结构、明确组成和单分散的金属纳米粒子,实现了催化过程中每个金属原子都作为活性位的催化,不仅提高催化剂的催化活性,也能降低催化剂成本。单原子调控的双金属团簇只改变团簇的一个原子就可改变整个团簇的电子结构,为深入理解催化活性和结构的关系提供了理想的催化剂模型,也具有一定的实际应用价值。