近年来,能源危机与环境污染问题日益加剧,寻找替代能源和发展新型环境治理技术刻不容缓。陶瓷膜在这些领域中发挥了越来越大的作用,主要用在膜分离领域,比如高温烟尘过滤、污水处理和膜蒸馏等。这是因为陶瓷膜的机械强度高、耐蚀性强以及可调的孔结构,在酸碱以及高温等苛刻环境下均能够稳定应用。陶瓷膜结构对于应用非常关键,由相转化法制备的直孔结构陶瓷膜,由于内部具有垂直膜表面方向的大孔径直孔,能减小传质阻力和增加比表面积,得到了越来越广泛的应用。本论文主要研究具有独特结构的直孔结构陶瓷膜在能源和水处理方面的应用。我们提出以直孔结构的导电陶瓷膜为基底,设计自支撑催化电极,用于电解水制氢,重点研究目标是设计工业应用中最为关注的高电流密度下应用的自支撑电极;同时研究了用于膜蒸馏和油水分离的高性能和廉价分离膜。第一部分,针对电解水制氢工艺对高性能导电电极的需求,我们提出利用导电陶瓷膜的亲水性、高强度、耐冲刷、高导电性以及易于生成异质结构等优点来设计自支撑电极。我们选择了具有类铂（Pt）电子结构的碳化钨（WC）导电陶瓷作为基底,制备了具有开口直孔结构的高强度陶瓷膜,并进一步利用CO2氧化和NH3高温还原,在陶瓷膜基底上分别原位形成了高催化活性的WO3-x纳米晶须/WC异质结和掺氮的WC/W异质结,从而得到具有高催化活性,能在高电流密度下稳定应用的自支撑电极,具有较高的工业应用价值。第二部分,针对淡水资源的制备和油水污染的治理,制备了稳定低成本的β-Sialon和莫来石复合陶瓷膜,充分利用了其孔结构易调和低传质阻力的优点,从而实现优异的膜蒸馏和油水分离性能。同时,结合发泡造孔和凝胶流延成型技术,制备3D连通孔结构的碳化硅（SiC）陶瓷膜应用于高温PM过滤领域。具体研究内容如下:第一章中,首先介绍了陶瓷膜的特点和传统陶瓷膜的制备工艺。然后重点综述了相转化法制备直孔结构陶瓷膜的机理和应用进展。最后介绍了电解水制氢和水处理等膜分离应用的背景与原理。第二章中,介绍了本论文使用的原料以及各种测试方法。第三章中,采用相转化流延和无压烧结的方法制备了直孔结构WC陶瓷膜,厚度为0.6 mm,抗弯强度为77.2 MPa,孔隙率为64.2%,直孔孔径为60μm。其在NH3中热处理后形成大量掺氮WC/W（WC-N/W）异质结,获得HER用自支撑催化电极,系统研究了热处理温度等对相组成和电化学性能的影响。1200℃下NH3还原处理后的膜电极表现出优异的HER性能,在酸性和碱性溶液中的过电位分别为87 mV和104 mV,相应的Tafel斜率为44.9 mV/dec和62.2 mV/dec。而且,在30-1000 mA cm-2多段电流密度下稳定运行220小时,具有优异的长期稳定性能。结合实验和DFT计算分析,实现优异的电化学性能一方面是因为WC-N/W异质界面调节电子结构和促进电荷传输;另一方面,陶瓷膜的直孔结构和超亲水特性促进电解液与电极充分接触,也为生成的氢气提供逸出通道,有助于提高HER性能。第四章中,在第三章研究基础上,将直孔结构WC陶瓷膜在CO2气氛中热处理,在陶瓷膜表面和指状孔内部原位生成WO3-x晶须,制备了 WC/WO3-x复合陶瓷膜自支撑催化电极。系统研究了热处理温度等对WO3-x晶须形貌、相组成以及HER性能的影响。900℃热处理获得的膜电极在酸性和碱性溶液中过电位分别为 107 mV 和 123 mV,相应的 Tafel 斜率为 59.3 mV/dec 和 72.4 mV/dec。而且,在酸性和碱性溶液中,在30-400 mA cm-2多段电流密度下稳定运行180小时,实现优异的长期稳定性。膜电极中氧空位和WC/WO3-x异质界面能够调节电子结构和促进电荷传输。而且,陶瓷膜的直孔结构和超亲水特性也能够提高HER反应效率,所以制备的电极能够实现优异的电化学性能。第五章中,通过相转化流延和气相生长的方法制备了高机械强度和表面粗糙的β-Sialon-mullite陶瓷膜。在油水分离实验中能够实现高油滴截留率（94%）。陶瓷膜经过PDMS疏水修饰以后水接触角为165°,表现出超疏水性。并且在4 wt%NaCl溶液的膜蒸馏实验中,在75℃稳定运行400小时,表现出优异的稳定性能。第六章中,通过结合发泡造孔和凝胶流延成型的方法制备了 3D相互连通孔网络的多孔泡沫莫来石结合SiC陶瓷膜。通过调节发泡剂的含量,调控陶瓷膜的形貌、强度、孔径分布和孔隙率,在高温PM过滤实验中,陶瓷膜具有很高的PM 过滤效率（PM 0.3、PM 2.5 和 PM 10 分别为 70.2%、90.1%和 94.6%）和超低压降（27 Pa）。因此,制备的陶瓷膜在高温PM过滤和空气过滤领域具有一定的指导意义。第七章中,总结全部研究内容,并提出展望。