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自第三次工业革命,人类社会的快速发展伴随着极大而快速的能源消耗。而进入二十一世纪以后,能源问题更是成为人类社会面临的主要问题之一。目前,传统化石能源仍是世界的主要能源,但是传统能源的大量消耗也引起了相关的环境问题和能源危机。因此,发展新型、绿色、可持续能源对于替代传统能源,缓解人类能源危机,解决环境问题具有重要的意义。目前,太阳能发电已经取得长足进展,与之相关的电催化转化近年来受到世界范围广泛关注,各种电催化剂研发已经成为催化领域研究热点。因此,基于太阳能-氢能-燃料电池-CO2还原这一可持续能源发展体系的思路,本论文工作侧重研究电分解水制氢、燃料电池氧还原、电催化还原CO2相关电催化剂。同时,本论文工作侧重针对以上反应中的某些关键性问题,对催化剂的结构和组成进行相应的理性设计,并将催化剂组成范围限制在过渡金属和铂系催化剂,同时对催化剂结构-性能关系进行讨论和理解。本文第二章首先使用了一种“低温硫化”方法制备新型硫化物纳米材料,并将产物应用于酸性电解水产氢（hydrogen evolution reaction,HER）中。该方法首先利用惰性气氛下高温煅烧制备出一维MO2（M=W,Mo）纳米棒,之后将该纳米棒进行硫化,从而合成了一维多孔MS2/MO2纳米棒。该方法在一种相对较低温度（190 oC）的溶剂热环境下进行硫化,将W或Mo的二氧化物硫化为二硫化物。最终,在二氧化物表层形成了松散堆积的少层数WS2和Mo S2纳米片。MS2/MO2纳米棒在酸性电解质中展示出了高效的HER活性和稳定性。究其原因,催化剂表面少层数的WS2和Mo S2纳米片暴露了大量的边缘作为HER的活性位点,同时MS2/MO2纳米棒具有多孔特性和高导电性。本章工作拓展了使用过渡金属二氧化物作为前驱体制备其他化合物的方法。由于目前电解工业中电解质溶液的p H值经常发生变化,本论文第三章又基于过渡金属磷化物研究制备了新型all-p H HER电催化剂。在本章工作中,将过渡金属（Mo和Co）掺杂到磷化钨（WP）上,成功制备出多孔M-WP（M=Mo,Co）纳米材料。在广泛p H HER测试中,M-WP均展示出了远高于WP的活性,而且Co-WP比Mo-WP的提升效果更加明显。与未掺杂的WP相比,M-WP具有更高的比表面积和多孔结构,从而有利于暴露更多的活性位点和促进反应过程中的电荷传递。更重要的是,理论计算证明了Co掺杂可以在整个HER过程中同时优化水解离步骤和氢吸附自由能。该工作展现了金属掺杂物如何影响HER过程,并且为开发新型all-p H非贵金属催化剂提供了新思路。除了电解水产氢,本论文第四章又对于燃料电池中阴极产生的的氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）进行了研究。由于目前Pt催化剂的活性仍然远高于其他催化剂,因此本章工作重点在于通过调变催化剂组分和结构,以达到减少Pt的用量的目的。本章工作探索出一种以L-苯丙氨酸（L-phenylalanine,LPHE）为助剂和模板,利用室温电子还原（room-temperature electron reduction,RTER）辅助制备Pt-AL/C纳米材料的方法。以LPHE为模板控制Pt纳米颗粒的尺度和晶面,通过RTER方法诱导自组装和还原金属,从而制备出新型的Pt-LPHE复合薄膜。而将Pt-LPHE薄膜负载到碳载体上后,所得到的Pt-AL/C催化剂为具有高分散的Pt纳米颗粒（粒径2.1 nm）。同时,LPHE中的氨基在负载过程中被转化为吡啶氮（pyridinic-N）和吡咯氮（pyrrolic-N）。理论结果表明,Pt纳米颗粒在氮掺杂的碳载体上结合的更加紧密。同时,反应中间体*O和*OH在Pt-AL/C上结合能比Pt/C更弱,因此有利于ORR反应的促进。最终,Pt-AL/C对于ORR的质量活性（mass activity,MA）和比活性（specific activity,SA）分别是商业Pt/C催化剂的2.7倍和3.5倍。该工作为利用生物组分为模板合成可控结构和尺度的贵金属纳米颗粒提供了新的思路。利用CO2电化学还原（electrochemical CO2 reduction reaction,CO2RR）制备低碳燃料和合成气是一种减少CO2排放的有效途径。本文第五章工作以硬模版法制备了过渡金属碳化物（碳化钽Ta C和碳化铌Nb C）,并以其为基底负载贵金属Pd用于CO2RR。结果表明,Pd/Ta C催化剂展示出了较高的CO法拉第效率和CO2RR活性,且产物为具有一定CO/H2比例的合成气,可以进一步用于燃料或者有机化学品合成。更重要的是,与商业Pd/C相比,Pd/Ta C的Pd载量得到了显著降低。原位表征技术证明在CO2RR过程中,催化剂中的Pd会转变为Pd H。而理论计算进一步证明,过渡金属碳化物通过影响CO2RR过程中的关键中间体*HOCO在Pd H上的吸附,最终影响了CO2RR的活性和选择性。本工作拓展了过渡金属碳化物在电化学方面的应用范围,并对其如何影响CO2RR进行了较为深入的探讨。