氢气作为燃烧能量高、产物无污染的绿色能源,有望成为未来的能源支柱。水分解制氢是获取氢气的一种绿色途径,实现此路径的关键是寻找高效且廉价的催化剂。当前,贵金属Pt基材料是分解水制氢最高效的催化剂,Ru/Ir基材料是最好的析氧催化剂,但是贵金属低的地壳丰度和高昂的价格极大限制了它们的商业化应用。过渡金属材料因其独特的d轨道电子结构、储量丰富、可调控性大等优点引起研究者的广泛关注,在催化领域表现出良好的应用前景。而二维材料超薄的尺寸和大的比表面积能为催化过程提供较短的电荷传输路径和更多的活性位点。基于此,本论文旨在开发二维金属硫化物和磷化物,通过结构设计、材料改性等手段提升非贵金属材料的催化性能。首先通过溶剂热方法在泡沫镍表面原位生长了厚度约为5-9nm的Sn掺杂Ni3S2纳米片,研究了Sn掺杂对产物物相和形貌的影响。Sn/S比对产物的形貌会产生很大影响。适量的Sn掺杂后,产物由纳米棒转变为纳米片结构,超薄的纳米片均匀生长在泡沫镍表面,形成多孔的三维网状结构,可以显著增加催化剂与电解液的接触面积,提供更多的催化活性位点及更短的电荷转移路径。此外,Sn的引入能平衡氢的吸附脱附过程,有利于气体的产出和释放,进而提升电催化性能和长期稳定性。电化学测试结果表明Sn掺杂后材料的导电性大幅提升,并在酸性和碱性环境中都表现出显著增强的HER活性。在酸性条件下产生10m A cm-2电流密度所需要的过电位从相对于标准氢电极(RHE)的254m V(Ni3S2纳米棒)降低到201m V(Sn掺杂Ni3S2纳米片)。研究了碳材料复合对硫/磷化物电催化性能的影响。通过溶剂热方法得到了石墨烯包覆的Ni3S2薄膜(G@Ni3S2)和碳包覆的Ni8P3(C@Ni8P3),利用电沉积技术得到氮掺杂石墨烯复合的Ni Se2材料(NG/Ni Se2/NF)。碳材料的引入能增强材料的导电性,同时有效保护材料免受电解液的腐蚀和大量气泡的冲击。碳材料与活性材料之间的协同效应极大促进初始材料电催化性能的提升,比如在碱性条件下的HER过程中,Ni3S2和G@Ni3S2产生10m A cm-2电流密度所需要的过电位分别为134和109m V,Ni8P3和C@Ni8P3所需的过电位分别为194和144m V。研究发现,在OER过程中,过渡金属化合物的表面会发生局部氧化,在活性材料周围形成一层氧化物的薄壳,可以作为新的活性位点促进氧气的释放。利用电沉积工艺制备了具有三层分级结构的Ni CoP三元合金,实现了纳米片、纳米球(90-120nm)和球型颗粒(几百纳米)的层层组装,并且纳米颗粒的表面被大量卷曲的超薄纳米片所包裹,具有更多暴露的表面边缘位。通过改变初始电解液的中Ni盐和Co盐的浓度可调节生成薄膜的化学组成,XPS结果显示Co含量的不同会对材料的电子结构产生很大影响,和其它组成的三元材料相比,Ni0.51Co0.49P中Ni/Co结合能正向偏移幅度最大,而P结合能的负向偏移程度最大。在HER过程中,金属和磷位点分别作为氢化物和质子的接收位点,P峰的负向偏移表明电子耦合能力的增强,进而增强其电子捐赠能力,Ni/Co峰的正向偏移说明电子传输的增强。Ni CoP三元合金中电子结构的优化可以显著影响材料的电催化活性,Ni0.51Co0.49P在碱性条件下表现出最高效的HER和OER能力,达到10m A cm-2电流所需要的过电位分别为82m V和239m V,并且可以连续且稳定工作长达100h。作为双功能催化剂时,仅需要1.57V的电压就能产生10m A cm-2的电流密度,性能优于大多数已报道的非贵金属基材料。通过溶剂热过程合成了直径0.8-1μm、厚度约22nm的单分散Sn S2纳米片。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)在二维结构的形成中起着关键作用,大量PVP分子吸附在Sn S2核的(001)晶面阻止晶体沿着[001]晶向生长,得到纳米薄片结构,并能有效阻止颗粒团聚使产物保持较好的分散性。考察了不同实验参数对产物物相和结构的影响,提出了成核-溶解-重结晶-再生长的形成机制。光催化性能测试结果显示单分散的SnS2纳米片具有很好的光催化产氢活性,其平均产氢速率可达1.06mmol h-1 g-1,高于其它形貌的Sn S2材料,其独特的二维结构能更好地捕获模拟太阳光,促进光生电子-空穴对的快速传输和分离。通过控制Se的掺杂量可以有效调节材料的光学性质,实现了带隙值在2.23和1.29eV之间的可控调节。