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能源危机和环境污染是目前全世界关注的热点问题之一,开发可再生的洁净能源或技术是解决能源危机的有效途径。其中,在电解水制氢和金属空气电池等绿色可再生能源存储及转换技术中,各种电极反应的能量势垒较高且动力学反应缓慢导致其功率输出及能量利用率较低,如析氢、析氧和氧还原反应。因此,开发地球资源丰富、成本低且活性高、稳定性好的催化材料迫在眉睫。负载型催化剂由于具有增加活性位点的暴露程度,减少活性金属的量以降低成本,调节活性金属的尺寸和局域电子结构等独特的优势被研究者广泛研究。然而,如何选择合适的载体材料并对其进行表面改性和形貌调控,如何设计一种简单易行的方法保持活性颗粒的高稳定性和高分散性,以及如何实现催化材料的多功能化提高其应用价值都是目前电催化研究中仍然急需解决的关键科学问题和难点。本论文基于表/界面调控策略（尺寸、缺陷、界面和应变效应）制备得到几种高活性、高稳定性、低成本的负载型电催化剂,并进一步系统研究了催化剂的纳米结构与电催化活性之间的“构效关系”,这些有助于深入开展负载型电催化剂的理论研究,为进一步推进其未来商业化应用提供科学指导。主要研究内容和结果如下:1.基于过渡金属碳化物类似贵金属的特性,以理论计算为指导,以廉价且资源丰富的Mo2C为载体,采用简单的溶剂热还原法制备出超薄原子层Pt簇稳固锚定在N-Mo2C纳米棒的负载型HER电催化剂（Pt/N-Mo2C）,制备的Pt/N-Mo2C催化剂表现出高活性、高稳定的全p H值HER电催化性能。计算结果表明:在Mo2C载体上的超薄层Pt簇产生的ΔGH*值最低。另外,实验结果表明:锚定在Mo2C载体上的原子层Pt簇极大地增加了电子/质量传输效率和结构稳定性。在10 m A cm-2的电流密度下,其过电位只有8.3m V,且具有大于120 h的出色长期运行耐受性,该研究有望实现大规模高载量原子级分散的贵金属催化剂普适性制备及商业化应用。2.基于缺陷效应,以富含氧空位的二氧化钼（Mo O2）为载体,将Pt单原子（Pt SAs）锚定在Mo O2的氧空位(Ovac)缺陷中,制备了一种原子级分散的贵金属Pt SAs/Mo O2负载型HER电催化剂。实验和理论计算结果表明:Mo O2NRs载体提供的氧空位不仅可以有效地稳定Pt单原子,还可以调节活性位点（Pt）的电子结构,使Pt SAs/Mo O2在全p H值大电流密度下表现出优异的HER活性。其中,1.1 wt%Pt SAs/Mo O2NRs催化剂在工业化所需的-1000 m A cm-2大电流密度下表现出200 h的长期运行稳定性,并提供了优异的HER质量活性(69.5 A/mg Pt);与基准20 wt%Pt/C商业催化剂相比,其质量活性提高了28倍。在达到同等活性条件下,1.1 wt%Pt SAs/Mo O2NRs催化剂的价格仅需要商业20 wt%Pt/C催化剂的3.5%、1.76%和3.1%。3.基于界面工程的调控效应,利用简单的固相法开发了一种优异的负载型ORR电催化剂Mo2C/Fe5C2@NC。将具有丰富界面的Mo2C/Fe5C2异质结构纳米颗粒高度分散负载在氮掺杂的碳（NC）载体上。实验结果表明:Mo2C/Fe5C2@NC催化剂具有高效且稳定的ORR催化性能,其起始电位为0.92 V,具有较大的极限电流密度(0.1 V vs.RHE时为5.3 m A cm-2),与商业化的Pt/C催化剂相比,其具有较强的甲醇耐受性,以及较为突出的稳定性（40000 s）。这种突出的催化活性不仅源于载体提供了催化剂可达活性位点数量的增加以及NC载体的高导电性,而且还源于Mo2C和Fe5C2异质界面的充分暴露。这样的实验设计思路拓展了各种金属碳化物基异质结构纳米材料的普适合成。4.基于表面应变工程,我们开发了一种优异的负载型三功能电催化剂Ru/Ru O2@NCS。将晶格失配应变的核/壳Ru/Ru O2纳米颗粒高度分散负载在氮掺杂碳纳米片（NCS）上。实验结果表明,Ru O2壳层在可拉伸Ru核上的原位异质外延生长导致晶格失配应变。压缩应变活化的Ru O2同时增强了Ru/Ru O2@NCS电催化剂的OER、ORR和HER活性,这为阐明压缩应变在激活催化剂（Ru O2）多功能活性中的作用提供了一个平台。当把Ru/Ru O2@NCS催化剂用在可充电锌空气电池中时,其达到了137.1m W cm-2的功率密度和714.9 Wh kg Zn-1的能量密度。此外,制备的锌空气电池可以驱动由Ru/Ru O2@NCS催化剂组装的水分解电解槽,其达到10 m A cm-2的电流密度只需施加1.51 V的电压。理论计算表明:增强的电催化活性源于压缩应变的Ru O2壳层降低了反应势垒并改善了速率决定中间体（*H、*O、*OOH）的结合强度,从而产生了出色的OER/ORR/HER催化活性和稳定性。该研究不仅为阐明应变-吸附-反应活性之间的构效关系提供了全新的认识,而且为合理设计和开发用于各种能量转换装置的多功能电催化剂提供了新思路。