全球不断增长的能源需求使得化石燃料的消耗日益增加,伴随的环境恶化和能源危机促使人们寻找新型可再生的替代能源。氢能是一种无碳清洁的能源载体,具有最高的能量密度,有望替代传统的化石燃料。与传统制氢方法相比,电解水是一种生产高纯氢的环境友好的有效途径。通常,电解水包含两个半反应,即阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）。然而,这两个半反应的动力学缓慢,从而需要有效的电催化剂来降低水分解的过电势。虽然贵金属Pt和Ru/Ir基催化剂分别具有最佳的HER和OER活性,但其价格昂贵,储量稀少,无法应用在大规模的实际生产中。因此,开发高效廉价的水分解电催化剂是当前研究的重点。近年来,静电纺纳米材料因其较大的比表面积、独特的化学结构、易于调节的组分以及快速的电子和物质传输性能而被广泛应用在能源转化与存储领域。基于以上讨论,本论文以静电纺丝纳米纤维复合材料为主要研究对象,设计合成了一系列高效廉价电解水催化剂,并通过调控材料的组分、形貌以及电子传输特性,实现了催化活性和稳定性的显著提高。本论文的主要研究内容如下:一、将高活性贵金属与过渡金属复合作为有效的电催化剂是一种有前途的策略,它不仅可以有效降低制备过程的成本,而且可以通过协同作用大大提高催化剂的性能。在此,我们主要进行了两方面的工作:1)制备了用于宽pH析氢反应的Ni/N-掺杂碳纤维（NCNFs）/Pt复合纳米纤维材料。首先,利用静电纺丝和高温煅烧工艺制备出Ni纳米粒子均匀负载在NCNFs上的复合材料。通过调节纺丝液前驱体中乙酸镍的含量可以控制NCNFs中金属Ni的含量。随后经过化学还原过程在Ni-C复合纳米纤维表面均匀生长尺寸较小的Pt纳米粒子制备了Ni-NCNFs-Pt复合纳米纤维材料。电化学测试发现金属Ni的含量对电催化性能有着显著的影响。所制备的Ni-NCNFs-Pt不仅减少了贵金属Pt的用量,同时在宽pH值范围内均具有良好的HER活性。材料卓越的HER性能归因于Pt和Ni纳米粒子之间的协同催化作用以及导电N掺杂的CNFs基底可促进快速的电子传输。本实验虽然制备了良好的HER电催化剂,但是单一的性能并不能满足催化整体水分解的需求,为了在同一电解液中同时催化HER和OER,我们需要进一步探索合成高效的双功能电催化剂。2)通过简单的静电纺丝和高温碳化过程制备出Ru、Ni纳米粒子负载在N掺杂CNFs上的复合材料,实现了双功能电催化分解水性能。实验探究了金属Ru和Ni之间的摩尔比以及碳化温度对电催化性能的影响。合成的Ru₁Ni₁-NCNFs催化剂具有高电导率、快速的电荷传输特性、较大的电化学活性表面积和丰富的活性中心,因此具有优异的催化活性和稳定性。优化后的Ru₁Ni₁-NCNFs在酸性和碱性介质中具有与Pt相类似的HER活性。此外,催化剂还显示出了优异的OER性能,在碱性溶液中,达到10 mA cm^-2电流密度所需要的过电势仅为290mV。由于催化剂同时具有HER和OER活性,Ru₁Ni₁-NCNFs同时作为阳极和阴极催化剂的电解槽只需要1.564 V的电池电压即可在碱性介质中驱动10 mA cm^-2的电流密度,并表现出良好的循环稳定性。二、为了进一步降低成本,非贵金属基电催化水分解材料成为人们研究的重点。其中,过渡金属碳化物材料不仅具有高催化活性,而且具有特别优异的稳定性。在此,我们也进行了两个方面的研究工作:1)设计合成了Mo/Mo₂C/N-CNFs复合电催化分解水材料。首先通过静电纺丝得到聚丙烯腈（PAN）/醋酸纤维素（CA）/乙酰丙酮钼纳米纤维膜,随后通过高温碳化过程得到金属Mo和半导体Mo₂C纳米粒子分散在NCNFs上的复合材料。在高温碳化过程中,含有大量酰基和羟基的CA被分解,使得CNFs中形成大量的孔隙和通道,从而增加了材料的比表面积,促进了活性组分的暴露。值得注意的是,Mo₂C和Mo纳米粒子均来源于MoO₂（acac）₂前驱体,因此可以实现Mo₂C和Mo的直接接触,这对构建异质结电催化剂至关重要。通过调节PAN和CA的质量比,可以改变Mo/Mo₂C/N-CNFs独特的多孔和多通道结构,从而暴露出丰富的活性中心,加速电荷与物质的传输。此外,金属与半导体之间的协同作用以及N-CNFs良好的导电性使其在宽pH值范围内具有出色的HER活性和稳定性。2)构筑了一种基于过渡金属碳化物的双功能电催化剂用来催化全解水反应。通过静电纺丝结合高温碳化过程,成功将金属Ni和Mo₂C纳米粒子均匀分散在NCNFs上。实验探究了Ni和Mo₂C金属前驱体之间的比例、碳化温度以及金属前驱体与PAN之间的比例对电催化性能的影响。优化后的复合材料（Ni/Mo₂C（1:2）-NCNFs）在碱性介质中,电流密度达10 mA cm^-2所需HER过电势为143 mV,所需OER过电势为288 mV。以Ni/Mo₂C（1:2）-NCNFs同时作为阴极和阳极催化剂的碱性电解槽在10mA cm^-2电流密度下所需电压为1.64 V,与商业Pt/C-RuO₂催化剂相当。此外,催化剂也展现了优异的长期稳定性,优于目前报道的大多数非贵金属电催化剂。Ni/Mo₂C（1:2）-NCNFs卓越的HER和OER电催化性能归因于Ni和Mo₂C纳米粒子之间的协同效应以及较大的电化学活性表面积。这项工作提供了一种简便可行的策略来制备低成本和高活性的双功能电催化剂,以实现高效的电催化全解水。