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全球经济的飞速发展离不开能源的有力支撑,煤炭、石油、天然气等主要的传统能源,储存量相当有限,而且其大量使用会造成生态环境的污染。氢能,作为一种理想的清洁能源,被认为是传统能源最佳的代替者。氢能源的绿色生产离不开电催化裂解水反应,而燃料电池技术对氢能的利用生成的产物仅为水,实现了资源的可持续循环利用。其中,高效催化剂的研发是氢能可持续循环利用的关键。然而现在的电催化剂主要还是依赖地壳中含量稀少且经济成本高昂的贵金属催化剂（如Pt,Ru,Ir等）。为了减少对贵金属催化剂的依赖,需要研究高效稳定的非贵金属催化剂来加速电催化反应。本论文针对电催化氧还原反应（ORR）以及析氢反应（HER）非贵金属催化剂的催化活性不足和稳定性差等关键问题,展开了两部分的工作:（1）基于碳基的非铂ORR催化剂,采用复合材料以及双掺杂策略提高碳材料ORR催化剂的活性。1)银纳米线与氮掺杂石墨烯复合催化剂的研究。针对氮掺杂石墨烯类ORR催化材料易堆叠卷曲、导电性差等问题,设计了银纳米线-氮掺杂石墨烯（AgNWs@NG）复合材料。通过自组装的方式将高活性的氮掺杂石墨烯包覆在具有高长径比的银纳米线表面。作为核的AgNWs不仅可以作为NG的支撑骨架,还可以作为ORR催化过程中电子快速传递的通路。电化学ORR测试结果显示,在0.1 mol L-1的KOH中,AgNWs@NG复合材料在-0.1 V（相比于Ag/AgCl电极）下的质量比活性为6.4 A g-1,高于NG(5.2 A g-1)和AgNWs(1.9 A g-1),研究表明AgNWs@NG复合材料具有的协同效应使其表现出更优异的催化性能。2)双掺杂多孔碳材料ORR催化剂的研究。基于传统高温碳化过程制备碳材料易出现结构坍塌、烧结及热解损失现象,以氯化钾为盐模板分别制备了NS、NP和NB三种双原子掺杂的多孔碳材料。电化学测试结果显示,三种双掺杂多孔碳材料在酸性介质中均表现出了优异的ORR活性,其中活性最好的是氮硫双掺杂多孔碳材料（NS-PC）,在0.1 mol L-1的高氯酸中,它的起始电位为+0.8 V vs.RHE,半波电位为+0.67 V vs.RHE。这得益于双杂原子的有效掺杂和在多孔碳材料合成过程中氯化钾盐模板起到的保护和造孔作用。（2）基于非贵金属HER催化剂,研究了合成策略对主要的析氢材料（包括金属镍、磷化镍、过渡金属氮化物以及硫化物）的形貌和HER活性影响。1)Ni/V2O3复合析氢催化剂的研究。基于金属镍在HER中较高的过电位和较大的Tafel斜率,通过调控Ni在NixV1-xO2前驱体表面的迁移富集,设计出分散度好,颗粒细小的Ni/V2O3复合催化剂。Ni纳米颗粒尺寸的有效控制,良好的电子转移效率,独特的3D多孔结构,以及金属/氧化物的相互作用,使得Ni/V2O3的析氢活性得到显著的提升。电化学测试显示,在电流密度为10 mA cm-2时,Ni/V2O3的过电位为140 mV,Tafel斜率低至112 mV/dec,并且在长达18 h的老化实验中,催化剂的性能没有明显衰减。这种催化剂的设计和合成策略可以用来合成一系列金属/氧化物纳米结构,并可应用于多种催化过程中。2)Ni-P/Ni复合析氢催化剂的研究。Ni-P类析氢催化剂常用电沉积的方法制备,之前的报道未详细研究外部电镀液条件对Ni-P析氢催化剂物理和电催化性能的影响。基于以上问题,通过电沉积法在酸性、中性和碱性电解液中合成了三种高效稳定的Ni-P/Ni催化剂,并系统研究了三种催化剂的物理和电化学性能。实验结果表明,在酸性电解液中电沉积Ni-P/Ni电极的电催化活性最高（η=110 mV）,交换电流密度为0.216 mA cm-2,这可归因于其最小电荷转移电阻和最大双层电容。同时本研究证明了P含量对Ni-P催化剂HER活性的重要影响。3)碳纳米管负载氮化钼复合析氢催化剂的研究。针对片状氮化钼材料在电化学析氢反应过程中电子转移缓慢且稳定性不足的问题,设计了氮化钼纳米颗粒/高导电的碳纳米管（MoN/CNT）复合催化剂。电化学测试结果显示,MoN/CNT具有较高的析氢催化活性,在10 mA cm-2电流密度下过电位为165 mV,极化过程中Tafel斜率约为45 mV/dec,经过长时间连续的析氢反应,样品的催化性能没有明显的衰减,证明了MoN/CNT复合催化材料具有替代贵金属催化析氢材料的潜力。4)二硫化钴纳米颗粒析氢催化剂的研究。基于二硫化钴纳米材料的形貌控制对这类催化材料的HER活性的强烈影响,通过水热法合成形貌均匀、结晶性好的二硫化钴纳米颗粒（CoS2 NPs）,并对CoS2 NPs在电化学析氢反应中的催化性能进行了研究。电化学测试结果显示,在10 mA cm-2的电流密度时,形貌均匀的CoS2 NPs过电位为176 mV,Tafel斜率为71.6 mV/dec,表现出了较高的催化活性和稳定性,证明了控制形貌对调控二硫化钴类析氢催化剂催化性能的重要性。