发展绿色可持续的水电解制氢技术有利于实现“碳中和”战略目标，而开发高效稳定的析氧反应催化剂对水电解技术至关重要。本研究以NiFeV固态金属醇盐为前驱体，采用醇盐自模板法制备碳封装NiFeV基催化剂。研究结果表明，NiFeV基催化剂呈现出均匀的球状结构，用于电解水析氧反应电催化剂时仅需381 mV的过电位即可获得20 mA·cm^-2的电流密度。NiFeV基催化剂良好的催化活性和稳定性主要得益于均匀的球状结构，V对电子结构的优化调控以及封装碳层对金属颗粒的保护作用。此工作通过V掺杂和碳封装的策略，为提升析氧催化剂的电催化性能提供了有利借鉴。

以ZIF-67为前驱体，采用异原子掺杂、高温热处理等方法制备了含有多种过渡金属、非金属粒子的多孔碳材料作为锌-空气电池催化剂。通过SEM、XRD、XPS和电化学方法对催化剂进行物理化学表征和催化性能测试，最后组装成全电池进行充放电性能实验。结果表明，制得的FeNi-CoP/NC的ORR半波电位达到了0.83 V，高于商用的Pt/C催化剂；OER电流密度在10 mA·cm^-2时过电位为290 mV并可平稳地保持12 h，显示了良好的催化活性与稳定性。全电池性能测试显示其峰值功率密度较高为150 mW·cm^-2，在3 mA·cm^-2电流密度下保持了0.6 V的较窄电势间隙。

电化学还原硝酸盐过程关键在于该废水处理过程中参数的有效控制。基于硝态氮电化学还原的测试数据和各参数间的相关性，得出与出水效果密切相关的四因素，即反应时间、初始浓度、初始pH和电流密度，采用BP神经网络算法建立了电化学法还原硝态氮的预测模型，并验证了模型的准确性。结果表明，4-7-1型BP神经网络网络构型最优，模型预测的去除效果与实测值相吻合，R²为0.9095。利用BP神经网络模型对参数调控，可以优化电化学处理过程：对电流密度进行阶段性调控，在相同处理量下可降低15%的能耗；在水质波动情况下进行电流密度控制，在相同处理时间内可保证出水达标。该研究结果可以为智能控制电化学去除硝态氮的过程提供参考。

可再生能源驱动电催化水分解产氢气在现代氢能及氢燃料电池可持续发展方面，有着极其重要的地位。其中，性能优良催化剂的设计与开发又是重中之重。本文重点发展了一种磷掺杂的铂-钌合催化剂(Ru-P)#Pt/C），TEM分析确认Ru金属纳米粒子的球形形态，XRD表征Ru纳米粒子以六方密堆积形式存在。XPS分析进一步说明了Ru以金属态存在，Pt的原子比在14.5%左右，且以轻微氧化的状态存在，表明其可能与P成键。(Ru-P)@Pt合金催化剂在碱性电解液中表现出优异的电解水析氢性能，在10 mA·cm^-2的电流密度下的过电位仅为17 mV vs. RHE，Tafel斜率值为27 mV·dec^-1，表明该催化剂析氢决速步为Tafel步骤。而同等条件下，仅P掺杂的Ru催化剂及Pt负载的P掺杂的CNT，其性能均远逊于该目标催化剂，表明了P与Pt共掺杂的协同作用。(Ru-P)#Pt/C合金催化剂经过24 h耐久性测试，其10 mA·cm^-2的过电位及稳定性测试后LSV电流仅出现轻微衰退。这表明P掺杂的Ru-Pt合金催化剂中Ru、Pt、P活性位点间的协同作用，显著提高了电催化析氢活性与稳定性，为高性能碱性电解水析氢催化剂的设计打开了广阔的前景。

固体氧化物电解池是一种新型能源转换技术，能实现间歇式能源到氢能的高效转化，为能源的有效利用提供了新途径。本文针对固体氧化物电解池金属镍基阴极支撑体在电解过程中的局部氧化以及由此引发的电池结构稳定性问题，提出了一种多孔氧化钇稳定的二氧化锆（YSZ）支撑型管式固体氧化物电解池，其构型为多孔YSZ支撑体/Ni-YSZ燃料极电流收集层/Ni-YSZ燃料极电化学催化层/YSZ/Ce_0.8Sm_0.2O_1.9双层电解质层以及La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ空气电极，研究了造孔剂（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）的含量对多孔YSZ支撑体的孔隙率、孔径分布和支撑体机械强度的影响，考察了电解池在H₂O-H₂气氛中的电化学电解性能。研究结果表明，当PMMA含量为25wt.%时，电解池具有最优的综合力学性能和电解催化活性，在750 °C的工作温度下，电解池的产氢气速率为3 mL·min^-1·cm^-2，电解池在10次升降温热循环过程中电解性能衰减为~5%，表现出优良的电解稳定性。本研究结果验证了多孔YSZ支撑型管式电解池的应用可行性。

非质子锂-氧气电池具有高理论能量密度，在过去几年里受到了广泛关注。然而，动力学缓慢的氧还原反应（ORR）/氧析出反应（OER）和放电产物Li₂O₂导电性差导致锂-氧气电池过电位大，放电容量有限，循环寿命短。开发有效的锂-氧气电池正极催化剂可以调控放电与充电过程中Li₂O₂的形成和可逆分解，减小放电/充电极化。尽管提升ORR/OER动力学的正极催化剂已经取得了一系列重要进展，但是对正极在放电和充电中Li₂O₂生成和分解过程的理解依然是不足的。这篇综述聚焦于锂-氧气电池正极催化剂的最新进展，总结了催化剂与Li₂O₂生成/分解的作用关系，本文首先指出了锂-氧气电池正极面临的科学问题，包括动力学缓慢的ORR/OER过程和导电性差的反应产物Li₂O₂钝化电极，并提出了锂-氧气电池正极设计准则。通过对最近报道的正极催化剂进行分类讨论，明晰调控催化剂活性位点策略，理解在正极反应过程中不同催化剂的活性位点对反应中间产物的吸附状态，以及对Li₂O₂生成和分解的作用机制，评估了不同类型正极催化剂在锂-氧气电池的潜在应用。最后总结了锂-氧气电池正极催化剂依然存在的挑战，例如阐明正极催化剂活性位点与附着的Li₂O₂界面在充放电过程中的变化，并揭示了设计高效正极催化剂的决定因素，展望了通过光/磁协助、负极保护以及电解液设计等策略，进一步推动锂-氧气电池的应用。

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓，需要消耗大量的贵金属催化剂，这限制了其商业化应用。目前原子级分散的M-N-C（M = Fe, Co, Mn等）催化剂受到人们青睐，有望替代铂催化剂。在过去的几十年里，M-N-C催化剂取得了很大的进步，具有优异的ORR活性，而且燃料电池初始性能有希望接近传统的Pt/C催化剂。然而，这些高活性的Fe-N-C催化剂在燃料电池实际工作条件下的稳定性比较差。在这篇综述中，我们总结了在高效氧还原M-N-C催化剂方面的最近进展，主要概述了我们在限域策略和自旋调控方面的贡献。此外，我们还总结了几种提高活性的有效方法。我们还总结了近期的关于揭示M-N-C催化剂的降解机制的认识，如金属浸出、碳腐蚀、质子化和微孔淹没都会造成催化剂降解。为了改善M-N-C催化剂的寿命，我们概括了文献中的缓解策略，包括控制催化剂中S1/S2位点、使用非铁基催化剂、增强金属氮键、改善碳载体的耐腐蚀性和使用质子缓冲液等。最后，我们提出了目前原子级分散的M-N-C催化剂存在的挑战和可能的解决方案。

由于巨大的潜在市场，乙烯的电化学氧化受到愈来愈多的关注。目前，主流的电化学氧化法仍以依赖于氧化还原媒介的介导氧化法为主，而这些媒介的使用在电解过程中产生大量的腐蚀性中间体，使其实际应用受到阻碍。直接电氧化法可有效规避此问题，但又受到低活性和低选择性的限制。在本工作中，我们针对目前最先进的钯催化直接氧化体系，在中性条件下开展了一系列电化学研究，以对该过程的机理获取更深入的认识。在氮气和乙烯氛围下，钯电极的循环伏安谱图有显著区别。我们发现电解过程中生成的Pd(II)物种在乙烯氛围下可绕过原本的电化学还原路径，通过一个化学步还原为Pd(0)，因此可能是乙烯氧化的活性位点。Pd(II)物种所对应的还原峰也因此可作为乙烯吸附的数量的指标。通过电化学脉冲序列的设计，我们在钯催化剂上识别了两种具有不同吸附强度的乙烯，其强、弱吸附模式所对应的电荷转移比例约为0.3:1。弱吸附的乙烯在钯电极表面表现出可逆的吸脱附行为，而具有强吸附模式的乙烯无法通过物理过程脱附，可能指向到乙烯深度氧化过程。这项工作为进一步设计高性能乙烯直接电氧化催化剂提供了设计思路和方向。

双功能氧催化剂的催化活性及稳定性是决定一体式可再生燃料电池能否高效运作的关键因素之一。得益于分别对于氧还原及氧析出反应特定中间产物适当的结合能，铂与铱、钌及其氧化物所制成的贵金属催化剂，常被应用于一体式可再生燃料电池中作为双功能氧催化剂。同时，近年来对于非铂族双功能氧催化剂的研究也取得了较大进展。本篇综述从一体式可再生燃料电池中氧还原及氧析出反应的作用机理出发，首先着重对传统铂基双功能催化剂的构效关系进行了总结，其次介绍了钙钛矿型、尖晶石型氧化物、非金属等新型双功能氧催化剂的发展趋势。此外，本文对于该研究领域所存在的限制条件和发展路线也进行了总结与展望。

本文采用CCM法（catalyst coated membrane）技术，结合单电池极化曲线、电化学阻抗谱、极限电流法和表面接触角等多种表征技术，系统研究了直接聚四氟乙烯（PTFE）分子添加以及PTFE修饰的疏水性碳（PTFE@XC72）等不同疏水化方法对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极催化层电化学性能、氧气传输阻抗和质子传输阻抗的影响。在此基础上，通过构建PTFE梯度化疏水性结构来进一步优化PEMFC的性能。结果表明，与添加PTFE@XC72相比，直接添加适量的PTFE分子对膜电极（MEA）性能提升效果更为显著，这主要与该疏水结构可在维持高速质子传导的同时，极大降低催化层的氧气传输阻抗有关。当直接添加的PTFE与催化层中碳载体的质量比为0.1时，MEA呈现最好的性能。在添加PTFE@XC72的MEA中，由于额外的碳颗粒导致催化层厚度增加，延长了反应物质的传输路径，从而使得质子传输阻抗和氧气传输阻抗均上升。在此基础上，通过在催化层不同位置直接添加PTFE构建梯度化疏水性结构。结果表明，当适量PTFE靠近催化层与气体扩散层界面分布时，MEA呈现最好的性能，峰值功率密度比未经疏水性处理的膜电极高接近20%，氧气传输阻抗大幅降低。

低共熔溶剂（DESs）是一种用于可控合成金属纳米结构的溶剂。在氯化胆碱-尿素DESs中，使用抗坏血酸作为还原剂可以制备由交错的纳米片和纳米球组成的花状Pd纳米颗粒，并且其自发地转化为三维网络纳米结构。此纳米网状结构的形成机制也有系统的研究，其中，DESs作为溶剂和软模板用于形成3D花状钯网络纳米结构（Pd-FNNs），CTAB和NaOH的用量在Pd-FNNs的各向异性生长和生成中起着至关重要的作用。Pd较低的电催化性能是阻碍燃料电池商业化应用的主要挑战之一。然而，具有较低表面能和丰富晶界的3D Pd-FNNs对甲酸氧化反应表现出增强的电催化活性和稳定性，其质量活性和本征活性分别是商业Pd黑催化剂的2.7和1.4倍。因此，此策略为合成独特的Pd基纳米结构提供了一种可行的路径。

耦合可再生电能的电解水制氢是一项极具前景的绿氢技术，该技术仍受限于阳极析氧反应（OER）动力学慢、过电位高等问题的限制。在阳极端采用热力学更容易的电氧化反应代替OER，可大幅降低电耗并且在阳极端获得增值产物，是电解制氢的一种新策略。甘油作为生物柴油生产的主要副产品且产能过剩，其电催化氧化（GOR）理论电位比OER低。基于此，本研究工作报道了一种耦合酸性析氢反应（HER）与碱性GOR的混合酸/碱双电解液的制氢电解器，其以泡沫镍（NF）支撑Co₃O₄纳米片（NS）电极（Co₃O₄·NSs/NF）为阳极，商用碳载铂修饰碳布电极为阴极。在阳极端，Co₃O₄·NSs/NF对GOR电催化表现出较低的过电位和转化为甲酸盐的高选择性。在该混合酸/碱双电解液电解槽中，仅仅需要额外施加0.55 V的外加电压，即可达到10 mA·cm^-2的产氢电解电流密度，并可以在阳极将甘油高选择性地转化为甲酸盐，其中产氢的法拉第效率接近100%。本研究工作为电解制氢提供了一条节电、阳极增值转化的技术路线。

近年来，固体氧化物电解池（SOEC）作为一种高效的电化学能量转换装置，由于其大电流密度、高法拉第效率和高能量效率受到广泛的关注。阳极析氧反应（OER）是SOEC中重要的电极反应，涉及四电子转移过程，反应动力学缓慢，在电解过程中阳极极化电阻较大且能耗高。因此，设计高效稳定的阳极材料对提高SOEC性能及推动SOEC实际应用至关重要。近年来，高性能阳极研究取得了一系列进展。在本综述中，重点介绍了CO₂和H₂O电解的反应机理，总结了不同类型阳极材料的物理化学和电化学性能，讨论了各种有效的阳极优化策略。此外，还对SOEC的未来研究进行了展望。这对阳极材料的发展和SOEC的实际应用有一定的指导意义。

金属纳米材料在电催化应用中展示出良好的性能，但是它们依旧面临着稳定性差和调控策略有限的问题。引入第二组分是一种有效的策略，能够很好的改善其催化活性与稳定性。在这篇综述中，我们概述了结合金属纳米材料和瓜环（CB[n]）用于电催化应用。瓜环是一系列的具有刚性结构、高稳定性、与金属配位的官能团的大环，它们适合稳定金属纳米材料并对其进行调控。本文讨论按照瓜环的功能分类，包含瓜环作为保护剂、瓜环基的超分子自组装体以及瓜环作为前驱体制备氮掺杂多孔碳。多种金属纳米催化剂，包括金属纳米颗粒（Pt，Ir，Pd，Ru，Au）、金属单原子（Fe，Co，Ni）以及过渡金属碳化物（TMCs）成功与瓜环或瓜环衍生的碳材料复合，这些复合材料在许多电催化反应中展示出优异的性能和稳定性，反应包括了氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）、甲烷氧化反应（MOR）、乙醇氧化反应（EOR）。其中，一些金属-瓜环复合物可进一步作为双功能催化剂用于全水解和燃料电池中。瓜环基的纳米催化剂具有媲美商用催化剂的性能，其稳定性甚至可优于商用催化剂。实验分析以及密度泛函理论（DFT）计算均证明，该提升得益于瓜环和金属纳米晶之间的相互作用以及瓜环自身的稳定性。最后，我们讨论了瓜环基电催化剂的挑战与机遇。本综述提供了通过瓜环构筑具有优异性能的金属纳米材料，并期待该策略将有助于开发高效催化剂并用于更多的电化学应用中。

高活性和耐用性的甲醇氧化电催化剂对于直接甲醇燃料电池的商业可行性至关重要，然而，目前的甲醇氧化电催化剂与预期相去甚远，存在贵金属用量过多、活性平庸、衰减快等问题。在这里，我们报告了锚定在镍铁层状金属氢氧化物（NiFe-LDHs）表面Pt纳米颗粒复合材料，用于在碱性介质中稳定电催化甲醇氧化。基于Pt纳米颗粒的高固有甲醇氧化活性，与商业Pt/C催化剂相比，基底材料NiFe-LDHs在200,000 s循环测试后进一步增强了Pt的抗中毒能力和稳定性。NiFe-LDHs层板上单原子分散的Fe作为锚定位点将Pt纳米颗粒均匀分散在其表面，进一步充分利用了层状金属氢氧化物表面丰富的OH基团，促进邻近Pt位点上毒化中间体的氧化去除。这项工作突出了NiFe-LDH在提高甲醇氧化反应整体效率方面的特殊性，为其他甲醇氧化电催化的设计和应用提供了指导。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种强耦合、复杂非线性、动态的、多输入多输出的能量转换装置，不容易达到或保持理想的工作状态。在动态的PEMFC的工作状态下，其输出的电流和电压是振动的、不稳定的，会对负载的使用和寿命造成很大的影响，严重时亦可损坏负载。该波动的电流或电压输出不仅直接决定着发电系统的成本，而且影响着有效的能量转换效率及电子原件和设备的寿命。基于此，本工作针对燃料电池动态特性及动态排水空间受限导致其电流不规则波动，进而影响输出电能品质和燃料电池系统及其他电子元件的寿命和维护成本等问题。开发了一种外延生长的方法制备排水空间可调控的抗溺水电极，通过调控载体的成核位点密度，形成一种具有不同排水空间的类超晶体结构微米级铂基催化剂。该催化剂制备的电极不仅表现出极佳的抗溺水性，在极低的电流振幅（25 mA·cm^-2）下持续稳定的输出高品质电能，同时提高了铂的利用率，使其组成的MEA比功率密度达到11.69 W·mg_Pt^-1，表现出极高的应用潜力。

开发高活性的大电流密度非贵金属双功能催化剂对于电解水制氢的发展意义重大。本文通过水热法和高温退火处理制备了自生长在泡沫镍上的CeO₂电子调控的FeNi双金属复合物多孔纳米片(NiFe₂O₄-Fe₂₄N₁₀-CeO₂/NF)。电化学测试结果表明,NiFe₂O₄:-Fe₂₄N₁₀-CeO₂/NF 在1.0 mol·L^-1KOH电解液中具有出色的析氧和析氢反应（OER和HER)活性，在±1000 mA cm^-2电流密度下所需的过电位分别为352 mV和429 mV。将其组装成电解水（OWS）两电极体系，只需1.81V的电池电压就能达到100 mA ·cm^-2的电流密度。对于OER、HER和OWS，可以在+500 mA cm^-2的电流密度下稳定运行30小时，其优异的大电流密度催化性能可以归功于CeO₂对于FeNi复合物的电子结构调控增强了催化剂的本征活性和反应中间体的吸附。原位生长在泡沫镍(NF)上的多孔纳米片可以增强活性位点与电解质的接触，并利于气体产物的释放，从而提高其化学稳定性和机械稳定性。本工作为制备双功能非贵金属电解水催化剂提供了一种新思路。

合理设计和合成非贵金属催化剂对提高氧还原反应的催化活性和稳定性具有重要意义，但仍然存在重大挑战。本工作采用功能化金属有机框架材料为前驱体，合成了氮掺杂多孔碳包覆Fe纳米粒子催化剂（Fe@N-C）。Fe纳米颗粒的嵌入提高了催化剂的石墨化程度和石墨化氮的比例，同时促进了中孔的形成。Fe@N-C-30催化剂在碱性溶液中表现出良好的氧还原反应活性（E₀ = 0.97 V vs. RHE，E_1/2 = 0.89 V vs. RHE）。此外，与商用Pt/C相比，Fe@N-C-30催化剂具有更好的耐甲醇性和循环稳定性。其优异的电催化活性归因于高的电化学表面积、相对高比例的石墨化氮、独特的孔结构以及包覆的Fe颗粒与碳层之间的协同效应。本工作为利用金属有机框架材料制备高效非贵金属ORR催化剂提供了一种有前景的方法。

电解槽的结构和运行参数对碱性水电解的性能起着重要作用。针对工业碱性水电解槽紧凑的装配结构，特别是在电流密度大于5000 A·m^-2时，本文首次建立了耦合电场和欧拉-欧拉k-ε湍流流场的三维数值模型，以准确模拟碱性水电解槽的性能。将模拟结果与实验数据进行比较，验证了模型的准确性。通过电解槽内部电场和流场特性的反馈，确定了适合的浓度、流量的操作条件和流道结构的优化设计方法。适当增加电解液浓度和流速有利于降低槽电压。KOH水溶液的最佳浓度和流速分别为6.0 - 8.0 mol·L^-1和30.0 - 45.0 mL·min^-1。随着电极与隔膜距离的增加，欧姆过电压显著增加；流道高度和双极板上导流柱的排列方式对电压的影响微弱，但三角形排列的导流柱和流道高度的增加有利于提高流体的分布均匀度，适当增加导流柱之间的距离有利于降低槽电压。多流体出入口电解槽有利于产生更均匀的流体分布，流道高度对多出入口电解槽同样影响不大。宽导流柱间距的多流体出入口电解槽G-2.5-T-0-5-3，配合高流量，既能降低槽电压，又能提高电解质在电极面的法向流速，使电解槽发挥最佳性能。本工作对碱性水电解高效电解槽的放大设计和优化具有一定指导意义。

碱性聚合物电解质作为现代碱性氢氧燃料电池的核心组成部分，其单离子导体的特性使得“电极/碱性聚电解质”界面的性质与“电极/溶液”界面有所不同。本文使用微电极，运用循环伏安、电化学交流阻抗以及浸入法等方法，测定了电极/碱性聚电解质界面的微分电容曲线和零电荷电位。该界面的微分电容曲线呈“U”状，且存在局域极小值，该极小值所对应的电位与浸入法测得的零电荷电位数值一致。单离子导体的特性使得“电极/碱性聚电解质”界面在零电荷电位两侧表现出不同的电化学极化行为。

高效电还原CO₂（ECR）为有价值的多碳产物是解决CO₂排放问题的有效解决方案。基于卟啉的金属有机框架（MOFs）具有多孔结构和有序的活性位点，有望提高ECR生成多碳产物的选择性。本文制备了由铜-四（4-羧基）卟啉（Cu-TCPP）和Cu₂O组成的有机/无机杂化Cu-TCPP@Cu₂O电催化剂，其中TCPP在调控形貌方面起着重要作用。ECR过程中原位形成的Cu与Cu-TCPP（Cu-TCPP@Cu）结合可以抑制析氢，富集CO中间体，促进C-C偶联生成C₂产物。多孔碳（PC）负载的Cu-TCPP@Cu在PC上被还原为Cu纳米簇，同时对C₂产物具有较高的ECR活性和选择性。催化剂在-1.0 V时（相对于可逆氢电极），C₂产物法拉第效率为62.3%，部分电流密度为83.4 mA·cm^-2，是纯Cu₂O和TCPP的7.6倍和13.1倍。本论文研究了催化剂形貌和杂化结构如何提高ECR生C₂产物的选择性，为高性能ECR催化剂的设计提供了新思路。

在碱性介质中，由于电极材料的较高的稳定性，电催化析氢反应（HER）具有实现大规模制氢的巨大潜力。然而，即使对于最突出的铂催化剂，HER在碱性介质中的反应动力学也比在酸性介质中慢2-3个数量级，这是由于碱性环境下质子的浓度较低。异质结构催化剂具有多种结构优势，研究表明，构建异质结构电催化剂是促进碱性HER动力学的有效策略。协同效应是异质结构的一个独特特征，这意味着一个功能活性位点作为水解离的促进剂，另一个活性位点则负责适度的氢吸附，从而协同提高HER催化性能。此外，异质结构中的每个构建模块都是可调节的，为构建最佳催化剂提供了更多的灵活性和可能性。同时，由于界面处两个组分之间存在费米能级差，可以合理地调控每个组分的电子结构，从而大幅度提高碱性介质中的HER催化性能。随着对纳米结构的深入理解，人们开发了更先进的设计策略来构建高性能异质结构电催化剂。本文综述了异质结构催化剂在碱性HER方面的最新发展，以及构建界面异质结构以促进碱性HER动力学性能的合理设计原则。我们首先介绍了HER在碱性介质中的基本反应途径，然后详细讨论了促进碱性HER动力学的新兴有效策略，包括协同效应、应变效应、电子相互作用、相工程和结构工程，最后提出了未来面向实际应用的新型异质结构催化剂设计所面临的挑战和研究机遇。

氨（NH₃）是一种现代社会必需的化学物质。目前，工业上合成NH₃仍然采用的是Haber-Bosch过程，即以H₂和N₂为反应物在铁基催化剂的作用下于高温（400-600 ^oC）高压（20-40 Mpa）下将N₂转化为NH₃。然而，其效率只有10%-15%，同时造成大量的能源消耗，而且CO₂排放不可避免。开发构建可持续发展的清洁友好的新能源体系是解决能源危机和环境污染问题、实现碳达峰和碳中和的关键战略。半导体光（电）催化固氮可以利用绿色无污染的太阳能制取重要的基础化工原料氨，有望代替传统的化工制氨工艺，解决其能源消耗严重和环境污染的问题。本文概述了光（电）催化固氮反应及其影响因素、光催化、电催化和光电催化固氮反应实验装置与基本特征、光（电）催化固氮反应催化剂研究进展、光电催化固氮反应机理，着重论述了半导体光催化剂、光（电）催化固氮体系以及光催化固氮机理的最新进展，并对太阳能光催化固氮技术加以评述和展望。

本文研究了掺氢天然气直接内重整平管型固体氧化物电池短堆的长期稳定性和衰减机理。通过约3000小时的实测实验，结果显示，电堆的总体衰减率为2.3% kh^-1，电堆中三个金属连接板的面积比电阻分别增加了0.276 Ω·cm²、0.254 Ω·cm²和0.249 Ω·cm²，但电堆中两个电池的电压反而分别增加了3.38 mV·kh^-1和3.78 mV·kh^-1。电堆衰减主要由金属连接件表层氧化及其与阴极集流层材料反应生成SrCrO₄物质，两者共同作用增大了电池与金属连接体间的界面电阻所致。结果表明，以掺氢天然气为燃料直接内重整平管型固体氧化物燃料电池电堆具有良好的稳定性。本文工作为掺氢天然气在固体氧化物燃料电池堆中的直接内重整应用提供了理论参考与实验依据。

燃料电池的规模化应用，尚需解决燃料电池成本高、工况下寿命短，以及核心材料电催化剂依赖进口等瓶颈和卡脖子问题。重庆大学魏子栋研究团队针对燃料电池面临的关键科学与技术问题，致力于开展提升燃料电池空气电极性能及低成本化的基础科学问题研究。本综述总结了该课题组过去三十年来围绕低铂和非贵碳基材料，提升空气电极活性与耐久性的研究进展。在铂基催化剂方面，首先阐述了Pt/C阴极催化剂的失活机制；总结了通过调节铂颗粒的纳米结构、修饰催化助剂、开发新型载体材料和精确调控三相界面微环境等，降低铂用量、提升电极性能和利用率的调控机制和制备策略。在非贵碳基催化剂方面，阐述了掺杂碳基催化剂氧还原活性的调节机制和失活机理；总结了致密活性位碳基催化剂结构调控、稳定性增强策略与绿色宏量可控制备策略。综述最后对低成本、长寿命燃料电池催化层结构优化与设计原则，以及面临的挑战进行了总结和展望。

碱性电解水析氢反应作为获取绿色氢能源的重要途径具有广泛的研究意义和应用价值，但其缓慢的电极反应动力学及较高的过电位需要高效稳定的催化剂来加速反应过程。目前商用的铂（Pt）基催化剂因高昂的成本限制了其规模化应用。设计高效、低过电位的非 Pt 电催化剂仍然是一个重大挑战。钌（Ru）基催化剂因具有类 Pt 的活性氢结合能而受到广泛关注。本文以富勒醇和三聚氰胺为基体原料，与氯化钴和氯化钌在 150 °C 水热反应 24 小时，随后在氩气/氢气（5%）混合气氛下 600 °C热解处理，成功在氮掺杂碳纳米管（N-CNTs）上修饰了钴钌（CoRu）纳米合金，制备了一种新型高效的 Co，Ru 双金属电催化剂。得益于 Co 和 Ru 位点之间的电子通信，所得 CoRu@N-CNTs 具有优异的电催化析氢反应活性。在 1 mol·L ^-1 氢氧化钾水溶液中达到 10 mA·cm ^-2 的电流密度，所需过电位仅为 19 mV，塔菲尔斜率为 26.19 mV·dec^-1，优于基准 Pt/C 催化剂。本研究将为高效析氢电催化剂的设计与制造开辟一条新的道路，有力推动电解水制氢技术在能源存储与转化领域的应用推广，为我国“碳达峰与碳中和”战略目标的实施蓄势赋能。

P型半导体光催化分解水是一种非常有前景的制氢方法。尽管对其反应动力学进行了很多研究并取得了不少进展，但建立其速率方程鲜见文献报道。本文采用积分电量和电化学阻抗谱等多种电化学方法研究了典型p型半导体氧化铜（CuO）光电化学分解水时光生电荷浓度、界面电荷转移速率常数及其与反应速率（光电流表示）之间的关系，力图建立其速率方程。结果表明，电极界面电荷转移速率常数与光生电荷浓度指数相关，光电流等于此速率常数乘以光生电荷浓度，反应级数（以光生电荷计）为一级，不同于常规化学反应速率方程和类似文献报道结果。这种光生电荷浓度相关的电荷转移速率常数主要是由于光生电荷在表面态中积累导致费米能级钉扎（伽伐伲电位是反应主要驱动力）和/或Frumkin行为（化学位是反应主要驱动力）引起。我们认为，该速率方程的建立对进一步研究CuO光电极析氢反应机理和设计CuO基高性能光催化剂具有指导意义。

碱性水电解制氢是现今最为成熟的水电解制氢技术。电解槽由多个电解小室组成，单个电解小室由隔膜、电极、双极板和端板等组成。现有工业的双极板流道结构为凹凸结构，通过模具冲压成型制备，制备成本高且困难。凹凸结构电解小室存在电解液流动不均匀和电流密度低的问题，进而增加了碱性水电解制氢的能耗和成本。因而，本文首先根据现有工业的凹凸双极板流道结构搭建电化学和流动模型，分析电解小室电流密度、电解液流动和气泡分布情况。模型可靠性已通过与文献实验数据对照验证。其中，电化学电流密度决定了气体产率，气体在电解液中流动反过来影响电化学反应活性比表面积和欧姆电阻。结果表明，凹凸结构电解小室凹球底部流动速度几近为零，凸球表面电解液流速较大，流道结构中存在旋涡，电解液分布不均。接着，建模优化碱性水电解槽的流道结构，比较了凹凸结构、网状、菱形和膨胀网结构电解小室电化学和流动性能。结果表明，膨胀网结构电解小室电流密度最大，为3330 A/m²，电解液流速最大，为0.507 m/s。相同电流密度下，过电位最小，能耗最低。本文对碱性水电解槽流道结构的全面理解和优化提供一定的指导意义，为大规模电解槽设计提供理论基础。

诱导经典强金属-载体相互作用（SMSI）是一种提高负载型金属催化剂性能的有效途径，这指的是载体包覆金属纳米颗粒的结构重构效应。传统的SMSI诱导方式是热还原方法，但这过程中往往伴随着会损害催化活性的金属纳米颗粒的长大过程。为了解决这一问题，本研究开发了一种温和的电化学方法来诱导SMSI，并在核壳结构CNT@SnO₂载体上负载的Pt纳米颗粒催化剂中进行了验证。高分辨透射电镜（HRTEM）和电化学测试结果证实了电化学诱导方法成功在Pt纳米颗粒表面构建了SnO_x包覆层。这种SnO_x包覆层可以保护Pt纳米颗粒在氢氧化反应（HOR）中不受CO杂质的毒害。实验显示，当H₂中混入10000 ppm浓度的CO时，E-Pt-CNT@SnO₂的HOR电流密度经过2000 s后仍能保持85%，而商用Pt/C在相同条件条件下工作300 s则完全失活。此外，SnO_x包覆层与Pt纳米颗粒之间存在电子相互作用，这导致电荷从载体迁移到Pt纳米颗粒上，并在远离界面处聚集。这种电荷转移降低了Pt对H中间体的吸附能，提高了E-Pt-CNT@SnO₂的HOR活性，催化剂的交换电流密度为1.55 A·mg_Pt^-1，是商业Pt/C的1.3倍。原位拉曼光谱和理论计算结果表明，电化学诱导SMSI的关键因素是Pt纳米颗粒对Sn-O键强度的减弱。此外，Pt纳米颗粒对载体不同区域的Sn-O键强度的弱化存在差异，其中表面Sn原子与内部O原子之间的键强度弱于Sn原子与表面O原子之间的键强度，这促进了SnO_x团簇的形成和迁移。