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近年来由于化石燃料燃烧所引发的能源危机和环境问题，促使科学家们做出了许多的努力去探索可持续能源。氢能具有燃烧值高、清洁无污染、可再生和来源广等优点，是不可再生能源理想的替代品，从而解决能源危机。作为目前最具前景的制氢工艺之一，电解水制氢气的生产过程兼具高效、清洁的优点，但其在工业应用领域的发展却受到了阻碍。这主要是由电解水的两个半反应造成的：阴极析氢反应的催化剂主要是贵金属Pt基材料，其成本昂贵、资源稀缺和稳定性较差等特点限制了工业上的广泛应用；为此，研究者们发展了一系列碳材料负载低量贵金属的析氢反应催化剂，而本文设计构建了多孔碳材料包覆钌纳米颗粒的析氢反应催化剂，深入研究了其电化学性能和反应机制，表现出了具有替代Pt基催化剂的潜质。尽管如此，由于阳极析氧反应表现出高过电位、缓慢的动力学的特点以及产生的氧气几乎没有经济价值，导致生产能耗大、经济效益低。因此，本文构筑了用于成对电合成反应的负载型氢氧化物催化剂，同时引入电催化氧化苯甲醇反应以替代析氧反应进行成对电合成反应，在得到附加值高的氢气和精细化学品的同时加速了水的解离，提高了整个电解水反应的能量转化效率。本文主要研究工作有以下三个方面：
（1）通过一步煅烧法和强酸腐蚀法制备了不同形态包覆的Ru纳米颗粒的三维多孔氮掺杂碳催化剂。采用不同的制备方法来调控所得材料的电催化性能。通过透射电镜、扫描电镜等一系列表征手段对催化剂进行表征。结果表明：5.0%F-Ru@PNC-800具有三维多孔结构，Ru金属纳米颗粒分布均匀且被碳层紧紧包覆。在电化学测试中，5.0%F-Ru@PNC-800具有最好的析氢反应（HER）活性和稳定性。其在10mA·cm-2的电流密度下具有30mV的过电位（η），塔菲尔斜率为28.5mV·dec-1，与商业上的Pt/C（20wt%）活性非常相近。通过实验结果配合密度泛函计算，本文进一步证明了随着碳包覆金属空间变小，氢原子吸附能从-0.16eV减小到-0.52eV且吉布斯自由能也从-0.35eV增加到-0.01eV，说明了包覆空间越小越有利于HER反应。由于金属Ru负载量较低且价格相对便宜，因此，5.0%F-Ru@PNC-800是取代商业上Pt/C较为理想的催化剂。
（2）通过一步水热法，强碱刻蚀和奥斯瓦尔德熟化制备含有不同孔洞和缺陷的氢氧化镍负载型催化剂，通过调变锌的含量来控制催化剂的形貌，从而提高催化剂的催化活性。透射电镜、扫描电镜和比表面积测试等表征表明制得的1.0h-Ni(OH)2催化剂具有三维网状结构且具有丰富的孔洞和氧空缺，这些特征有利于促进催化活性。电化学测试表明多孔缺陷的1.0h-Ni(OH)2具有优异的OER活性和稳定性。在苯甲醇电催化氧化反应中溶液不添加TEMPO时，苯甲醇具有99.0%的转化率，苯甲酸具有大于92.0%的选择性；而当溶液中存在TEMPO时，苯甲醇的转化率高于90.0%，苯甲醛的选择性高于94.0%。并将1.0h-Ni(OH)2水热负载PtO2制备成1.0PtO2/h-Ni(OH)2催化剂，用其与1.0h-Ni(OH)2分别作为成对电合成的阴极和阳极电极，进行苯甲醇的电催化氧化和HER反应，这样有利于降低电解水的过电位，从而促进水的分解。进一步通过理论计算证明，空缺的氧可以促进苯甲醇与催化剂之间的电荷转移，通过增强苯甲醇的吸附来促进催化反应的进行。
（3）通过一步水热法制备了含有不同金属成分的复合双金属氢氧化物负载型催化剂。透射电镜和扫描电镜结果表明催化剂呈纳米线结构。采用XPS分析发现当形成铜镍双金属催化剂时，相比于钴和铁，铜会使镍的电子结构发生更大变化，使Ni2+往结合能弱的方向偏移0.3eV。并对催化剂进行了电催化氧化苯甲醇反应，发现Ni14Cu-LDH/CF具有最好的电催化氧化苯甲醇效果，苯甲醇转化率（99.7%）和苯甲酸选择性（97.5%）。并将Ni14Cu-LDH/CF水热负载PtO2制备成PtO2/Ni14Cu-LDH/CF催化剂，用其与1.0h-Ni(OH)2分别作为成对电合成的阴极和阳极电极，进行苯甲醇的电催化氧化和HER反应，有利于降低电解水的过电位，从而促进水的分解。
（1）通过一步煅烧法和强酸腐蚀法制备了不同形态包覆的Ru纳米颗粒的三维多孔氮掺杂碳催化剂。采用不同的制备方法来调控所得材料的电催化性能。通过透射电镜、扫描电镜等一系列表征手段对催化剂进行表征。结果表明：5.0%F-Ru@PNC-800具有三维多孔结构，Ru金属纳米颗粒分布均匀且被碳层紧紧包覆。在电化学测试中，5.0%F-Ru@PNC-800具有最好的析氢反应（HER）活性和稳定性。其在10mA·cm-2的电流密度下具有30mV的过电位（η），塔菲尔斜率为28.5mV·dec-1，与商业上的Pt/C（20wt%）活性非常相近。通过实验结果配合密度泛函计算，本文进一步证明了随着碳包覆金属空间变小，氢原子吸附能从-0.16eV减小到-0.52eV且吉布斯自由能也从-0.35eV增加到-0.01eV，说明了包覆空间越小越有利于HER反应。由于金属Ru负载量较低且价格相对便宜，因此，5.0%F-Ru@PNC-800是取代商业上Pt/C较为理想的催化剂。
（2）通过一步水热法，强碱刻蚀和奥斯瓦尔德熟化制备含有不同孔洞和缺陷的氢氧化镍负载型催化剂，通过调变锌的含量来控制催化剂的形貌，从而提高催化剂的催化活性。透射电镜、扫描电镜和比表面积测试等表征表明制得的1.0h-Ni(OH)2催化剂具有三维网状结构且具有丰富的孔洞和氧空缺，这些特征有利于促进催化活性。电化学测试表明多孔缺陷的1.0h-Ni(OH)2具有优异的OER活性和稳定性。在苯甲醇电催化氧化反应中溶液不添加TEMPO时，苯甲醇具有99.0%的转化率，苯甲酸具有大于92.0%的选择性；而当溶液中存在TEMPO时，苯甲醇的转化率高于90.0%，苯甲醛的选择性高于94.0%。并将1.0h-Ni(OH)2水热负载PtO2制备成1.0PtO2/h-Ni(OH)2催化剂，用其与1.0h-Ni(OH)2分别作为成对电合成的阴极和阳极电极，进行苯甲醇的电催化氧化和HER反应，这样有利于降低电解水的过电位，从而促进水的分解。进一步通过理论计算证明，空缺的氧可以促进苯甲醇与催化剂之间的电荷转移，通过增强苯甲醇的吸附来促进催化反应的进行。
（3）通过一步水热法制备了含有不同金属成分的复合双金属氢氧化物负载型催化剂。透射电镜和扫描电镜结果表明催化剂呈纳米线结构。采用XPS分析发现当形成铜镍双金属催化剂时，相比于钴和铁，铜会使镍的电子结构发生更大变化，使Ni2+往结合能弱的方向偏移0.3eV。并对催化剂进行了电催化氧化苯甲醇反应，发现Ni14Cu-LDH/CF具有最好的电催化氧化苯甲醇效果，苯甲醇转化率（99.7%）和苯甲酸选择性（97.5%）。并将Ni14Cu-LDH/CF水热负载PtO2制备成PtO2/Ni14Cu-LDH/CF催化剂，用其与1.0h-Ni(OH)2分别作为成对电合成的阴极和阳极电极，进行苯甲醇的电催化氧化和HER反应，有利于降低电解水的过电位，从而促进水的分解。