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随着社会的发展和人类的进步,人类的生产越来越离不开煤、石油等化工原料。然而这些原料属于不可再生资源,大量的燃烧产生的废气对环境造成了破坏,因此发展清洁、可再生的能源转化技术受到了人们广泛的关注。先进的清洁能源转化技术包括燃料电池、电解水、金属-空气电池以及CO2还原等是现在研究的热点。氢能作为清洁能源,因其能量密度大、来源广成为人们的研究热点。电解水制氢技术是现在比较成熟的技术,在电解水过程中催化剂可以有效降低活化能,提高催化效率。贵金属基催化剂以其优异的催化性能和良好的稳定性受到广泛应用。然而贵金属材料在自然界中储量少,使用成本高,这都成为制约大规模电解水制氢技术发展的一大难题和桎梏。在电解水制氢外,其他能源转换领域的发展也受制于贵金属材料的储量有限和成本高昂的问题。碱性燃料电池是以高浓度氢氧化钾为电解质的能源转换器件,具有启动快、效率高、功率密度高、可以在常温常压下工作等优点的电化学装置。在碱性燃料电池中,阴极发生的氧气还原反应(ORR)是影响电池性能的重要因素。为了提高电化学反应活性,一方面可以寻找更高效的、可替代Pt的催化剂,另一方面可以在不改变Pt基催化剂负载量的情况下增加电极比表面积,增加活性位点数量。作为新能源转换技术,电解水、燃料电池等都涉及到了气体参与的电化学反应,气体参与的电化学反应是电荷驱动的气体为产物或者反应物的电催化反应。为进一步研究新能源转换技术,本论文基于有气体参与的电化学反应的基本特点,通过改变电极表面结构的方法来改善气体的传输过程,实现了高性能催化电极结构的可控制备。具体的工作和研究成果如下:(1)以氧化石墨烯(GO)为原材料,将其水溶液与聚四氟乙烯溶液(PTFE)以一定体积比混合后作为原溶液,在不同的低温条件下通过垂直冷冻方法制作出具有微米级垂直孔道的电极基底。通过扫描电子显微镜观察可以看到,不同冷冻温度制作出来的电极孔径大小不同,孔径大小随着冷冻温度的降低而减小。使用亲水碳纸为集流体,直接将前驱液冷冻在碳纸上得到氧化石墨烯电极基底。选用铂作为催化剂通过真空溅射的方式将铂颗粒均匀的覆盖到氧化石墨烯基底上,在氧气饱和的0.1MKOH溶液中进行测试,发现在冷冻温度为-40℃,还原氧化石墨烯溶液和聚四氟乙烯溶液体积比为10:1的时候氧气还原(ORR)活性最好,此时起峰电位为-0.1 V(vs.SCE),当电位为1 V时电流密度可达到50 mA cm-2。通过与气体扩散电极及商业铂碳的比较,蜂窝电极有最大的电流密度和稳定性,说明电极结构设计可以提高催化性能。将冷冻干燥技术和旋涂相结合制造了冷冻旋涂装置,并利用该装置得到了具有微纳结构孔隙的薄膜,为以后燃料电池实际应用开拓了新思路。(2)本文利用电沉积技术以泡沫铜为基底合成了具有高催化活性的三维镍-钼-铁电极。通过对电镀液pH和电沉积时间的优化,发现在pH为5.25、沉积时间为80 min时,制备得到的镍-钼-铁具有较高的催化活性,最佳析氢反应(HER)和析氧反应(OER)起峰电位可达到-0.08 V(vs.RHE)和1.4 V(vs.RHE)。与传统电解水催化剂Pt/C和IrO2/C相比,本课题制备的催化剂在相同的过电位下具有更大的电流密度,这部分增益主要来源于催化剂结构的设计带来的催化剂表面活性位点的充分暴露。通过对电极结构的设计充分暴露了活性位点提高了催化剂单位催化活性,为减少催化剂用量提供了新思路。