寻找可持续发展方法来缓解能源危机已成为人类主要的努力和奋斗目标。可再生能源(例如太阳能、风能、潮汐能等)转化电能的能源模式已经开始广泛使用。然而,由于这种可再生能源提供的能量是间断的,而电力的消耗是持续的,这就导致了供应与需求之间在时间上的不相匹配。为了提供有效的解决方法,能量转换和存储系统有待进一步开发。电化学过程在能量转换存储系统中扮演重要的角色。当可再生能源的供给超过了需求,剩余的电能能够用来推动非自发电化学反应的发生,将能量转换成化学能来进行存储;当用电需求量大时,储存的化学能量又可以再次通过原电池中自发的电化学反应得到可供使用的电能。小型的能量转换和存储系统如可充电电池,已经被广泛地应用在移动商业设备上(例如手机、笔记本电脑、甚至汽车),但是在大规模设备上的能量转换和存储器件仍然需要进一步研究。目前越来越多的研究集中到氢气循环的能量转换和存储系统上,如电解池和氢燃料电池。氧电催化反应在氢能源的循环过程中作为半反应,发挥着重要的作用。但是由于其过程涉及四电子转移,其动力学过程十分缓慢,很大程度上限制了氢在对电极上发生反应的速率。氧电催化反应包含析氧反应(OER,Oxygen Evolution Reaction)和氧还原反应(ORR,Oxygen Reduction Reaction),这两种反应过程分别需要以贵金属RuO2,IrO2和Pt等贵金属作为催化剂。由于贵金属催化剂成本过于高昂,限制了电解水以及燃料电池的规模化应用。因此,发展成本低廉、性能高效的氧电化学催化材料已成为能源转换与应用的关键问题。氧电化学催化反应包含异相催化过程,反应发生在催化剂固体表面,催化剂表面所具有的物理化学性质对整个反应起到了关键性的作用。对于电解水析氧反应和燃料电池氧还原反应相关的电催化体系来说,合理的电催化剂表界面结构设计为探索高性能电催化剂提供了重要的路径。目前大量文献已经报道了对于电催化剂的表界面修饰手段不仅可以对催化剂活性位点的电子态优化调控,同时也可以保留催化剂的体相特征,如高电导率、高稳定性等。与此同时,低维无机材料因为其具有的量子限域效应以及较大的表面积,表现出优异的电化学催化性能,常被使用作为典型的异相反应催化剂。因此,对低维无机材料进行表界面化学调控,优化电催化剂表界面活性位点电子结构和暴露数目,可以成为提升氧电化学反应性能的重要策略。本论文具体内容为以下几点:(1)电化学表面重组是有效的催化剂表界面调控策略。本文以Co2P纳米颗粒为模型材料,通过在碱性介质中进行电化学表面重组这一策略,实现在电极催化剂材料上暴露大量高价态活性位点,促使OER反应的性能得以提升。更有意思的是,我们将表面重组这一策略拓展到CoP,Ni2P过渡金属磷化物上,均实现电催化OER性能的显著提升。这一章节中我们充分说明电化学表面重组可以作为一种表界面调控手段运用到过渡金属磷化物上,从而在氧电化学OER过程中发挥的重要作用。(2)表面配位数的调控是无机固体材料表界面结构设计的重要手段之一。本章节通过多孔铂纳米片的表面配位数调控,发现晶界位置处的Pt位点处于高本征活性暴露,从而实现高活性的氧电化学反应ORR催化性能。实验结果展现出晶界中包含本征活性最佳的Pt配位位点,为含氧中间体提供了合适的吸附能。表面配位数调控的手段提高了 Pt位点对于氧还原反应的内在催化活性和耐久性,甚至优于Pt(111)晶面位点。我们合成得到的富晶界多孔铂(GBP-Pt)表现出比商业Pt高7倍的ORR活性。在进一步的燃料电池应用中,GBP-Pt催化剂在MEA中表现出的高功率密度(1.49 W cm-2,质量活性0.71 A mg-1 Pt)和超长稳定性(30 K循环后活性损失12.9%),这些性能指标都远超过2020年的美国DOE目标(质量活性0.44 Amg-1 Pt,稳定性能损失约40%)。这一章节中我们主要阐述了表面配位数的调控也同样可以作为低维无机催化材料的表界面调控手段,并进一步提高其对氧电化学ORR的催化活性。(3)对低维无机催化材料进行界面复合,利用协同增强效应优化催化位点电子结构也是一种有效的表界面调控手法。我们设计合成出一种受多孔碳纳米片限域的零维MnO颗粒材料,实现碳材料与MnO纳米颗粒的界面复合。通过协同增强效应,多孔石墨碳层被锰氧纳米颗粒活化成为ORR催化过程中的活性位点,而锰氧纳米颗粒的导电性和稳定性也被进一步提升。此外在锰氧化合物的作用下,副反应的双氧水被迅速的分解,催化材料展现出色的4电子催化特征和长时间稳定性,解决了碳材料催化剂的瓶颈问题。合成得到的非贵金属催化剂(MnO@FLC)展现出半波电位为-0.153 V vs Ag/AgCl,极限电流密度为5.38 mA cm-2,其性能已经达到了目前相关文献报道中锰基材料的国际顶尖水平,并且已经接近目前商业铂碳催化剂的性能。除此之外,密度泛函理论(DFT)计算也表明MnO界面和多孔碳层界面之间存在协同增强效应。本论文充分说明低维无机材料之间界面的复合可以实现氧电化学ORR过程中催化性能的提升,成为表界面化学调控的有效手段之一。