金属纳米材料已经被广泛应用于医疗行业、化工工业、环境治理和燃料电池等领域。其中,贵金属纳米材料在各个领域内均展现了极其优异的性能,从而备受关注。然而,高昂的价格和稀缺的储量严重限制了贵金属纳米材料在各个领域的实际应用。因此,急需开发高效利用贵金属纳米材料的方法。研究表明纳米材料的性能与其尺寸大小、结构组成和晶面暴露等有着紧密联系。精确调控贵金属纳米材料的尺寸、形貌以及结构组成等是实现贵金属纳米材料高效利用的有效策略。本论文通过开发精确调控贵金属纳米材料的尺寸、形貌和结构组成的有效策略从而合成了具有优异性能的电催化剂并且通过密度泛函理论深入的研究其催化机理。本论文的主要内容可以分为如下几个部分:1.Ce氧物种分散在Pt纳米颗粒上提升甲醇氧化反应（MOR）性能。本章中,我们发展了一种溶解-再生的策略合成了 Ce-modified Pt纳米颗粒（NPs）电催化剂,该催化剂是由痕量Ce氧物种分散在Pt纳米颗粒上组成的。通过球差电镜、X射线吸收精细结构谱以及X射线光电子能谱,我们表征了这种特殊的选择性分散结构。合成的Ce-modified Pt NPs催化剂在酸性和碱性介质中的MOR性能分别达到了 1.47 mA/μg-Pt和8.67 mA/μg-Pt,显著优于Pt NPs、商业Pt/C、商业PtRu/C以及近期文献中报道的大部分Pt基电催化剂。最后,通过密度泛函理论（DFT）计算分析,显示Ce氧物种的引入会导致Pt NPs的MOR的起始电位降低并且使得OH*的结合能显著增强,从而促进速控步骤中CO*的去除。该工作为开发高效的Pt基电催化剂提供了一种有效的策略。2.Ru1Ptn单原子合金（SAA）作为一种双功能催化剂促进MOR和氢氧化反应（HOR）性能。本章节,氢气和硝酸根离子被引入到反应体系中有效调节Pt和Ru前驱物的还原电位,从而控制Pt和Ru的还原过程,使得Ru原子以单原子的形式分散到Pt纳米晶中。通过球差电镜、X射线吸收精细结构谱以及X射线光电子能谱表征,我们证明了 Ru1Ptn-SAA催化剂中Ru是以单原子的形式存在的。其次,通过对Ru1Ptn-SAA、Pt NPs以及商业Pt/C等催化剂进行了 MOR和HOR测试,显示单Ru原子的引入可以大幅度的提升催化剂的MOR（质量活性为2.996mA/μgPt,比活性为23.59 mA cm-2）和 HOR（质量活性为 5.03 mA/μgPt,比活性为 1.992 mA cm-2）性能。最后,DFT计算结果表明单Ru原子的引入显著降低了催化剂分解水分子的反应能垒从而促进了在MOR中产生的CO*的去除,进而能够有效促进反应进行,同时,DFT计算结果也表明单Ru原子的引入可以调控催化剂对H原子的吸附能力从而获得合适的H吸附吉布斯自由能,进而显著提升HOR性能。本章研究内容证明了原子水平下精确调节纳米晶的结构组成是一种开发高性能催化剂有效的思路。3.Ar/H2/O2调控合成零、一和二维Ru纳米晶并将其应用于酸性电解水反应。本章节中,我们开发了一种小分子气体（Ar/H2/O2）控制策略原位调节Ru纳米晶的生长动力学,成功合成了单分散的Ru纳米颗粒、纳米线和纳米片。一系列的物理化学表征显示了零维Ru纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米片的生长过程分别遵循非定向生长、形貌导向的纳米颗粒定向附着和定向生长机理。此外,动力学分析和理论计算结果显示了小分子气体能够有效的调节Ru前驱物的还原速率和Ru纳米晶不同晶面的吉布斯表面自由能,这对于Ru纳米晶的形成过程起到了关键的作用。最后,通过电解水性能测试,显示了 Ru纳米线和纳米片具有优异的HER性能而两者派生的氧化物更是展现了极其优异的OER性能。同时,将Ru纳米晶与其派生的氧化物分别用于电解水装置的阴极和阳极后,发现Ru纳米线、Ru纳米片和两者派生的氧化物展现了优异的全解水性能。因此,该工作系统研究了小分子气体对Ru纳米晶形成过程的影响,为未来开发高性能的纳米材料提供了有效的思路。