化石能源的大量使用已对生态环境造成了严重影响。在此背景下,我国提出“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标。为此,必须改变现有以化石能源为主体的能源产业结构。氢能因其无碳排放、清洁以及可再生等诸多优势成为替代化石能源的理想能源。电解水是一种清洁、高效、可再生的制氢方式。相比于酸性条件,碱性条件下的电解水具有更高的成本优势。贵金属铂（Pt）是活性最高的电析氢（HER）催化材料,但是Pt的低储量和高成本限制了其大规模应用。因此,开发高效的非Pt碱性电解水析氢催化剂对于电解水制氢技术的发展和应用具有重要意义。基于以上背景和碱性电析氢反应的原理,本论文围绕增加催化位点数和提高催化剂本征催化活性两方面,设计了一系列非Pt基的高效碱性HER催化剂:1.同属于Pt族金属的Ru具有接近Pt的氢吸附能,但其价格远低于Pt,是设计高效HER催化剂的理想材料之一。本论文以油菜秸秆为原料制备了具有高比表面积且富含氮掺杂和含氧官能团的碳基底。随后,以该油菜秸秆碳为载体,制备了Ru基催化剂。多种表征手段证明活性组分为高分散的Ru Ox纳米团簇,平均粒径小于1nm,催化剂中Ru质量分数仅为5.46%。该Ru Ox/C催化剂在碱性条件下对HER表现出了优异的催化活性,在1 M KOH中,其达到10 m A cm-2所需过电位仅为15 m V,Tafel斜率为15 m V dec-1,质量活性远高于Pt/C。经过10000圈电位循环后,Ru Ox/C活性仅有微小变化,表现出良好的稳定性。在阴离子交换膜电解池（AEMWE）中,Ru Ox/C同样表现出优于Pt/C的催化性能,且能够在～300 m A cm-2电流密度下稳定工作超100 h。2.尽管Ru Ox/C表现出优异的HER活性,但Ru毕竟也属于稀有金属,开发非贵金属HER催化剂势在必行。构建金属间化合物可以调控金属电子结构,优化材料对反应中间体的吸附能,提高催化活性。基于此,本论文将Co WO4在还原性气氛下热处理制备了Co3W金属间化合物。借助多种表征手段对Co3W的形成过程进行了详细研究,考察了还原温度和时间对产物物相和粒径的影响,确定了Co3W是电催化析氢的活性组分。在最优条件下,Co3W催化剂在1 M KOH中,达到10 m A cm-2时过电位为78 m V,同时表现出良好的电化学稳定性。3.碱性HER涉及水解离以及氢原子吸附和脱附等多步过程,在催化剂中引入两相界面,利用界面协同效应有助于提高催化活性。本论文以Ni WO4为前驱体,采用相分离策略制备了Ni17W3金属间化合物与金属W构成的复合材料(Ni17W3/W)。研究发现,Ni17W3对碱性HER反应中间体有合适的吸附能,因此具有较好的催化活性。此外,W对水分子具有更低的解离能垒,因此Ni17W3与W界面的协同效应有利于进一步促进碱性HER过程。在1 M KOH中,Ni17W3/W复合材料仅需59 m V过电位便可以达到10 m A cm-2。此外,Ni17W3/W在全电解条件下同样表现出了良好的催化性能,尤其是在AEMWE中能够以～600 m A cm-2电流密度稳定工作。4.改善电极的物质传递和电子传递能力有利于充分暴露活性位点,对提高催化活性有重要意义。此外,析氢和析氧（OER）电极采用相同的催化剂有利于简化制备过程,在一定程度上降低成本。基于此,本论文以高电导率的三维多孔泡沫镍为基体,在其表面合成了多孔Ni-Fe-Mo三元纳米片阵列,纳米片由相互连接的Ni-Fe-Mo氧化物颗粒（Ni Fe Mo Ox）和金属Ni颗粒构成。其中,Ni Fe Mo Ox具有无定形结构和氧空位,Ni颗粒相互连接形成电子导电网络。Ni Fe Mo Ox及其原位生成的Ni-Fe-Mo羟基氧化物分别是HER和OER的主要催化活性物质。电极的分级孔道结构以及亲水疏气特性提高了电极的传质能力。泡沫镍基体和纳米阵列中的Ni纳米颗粒构成了连通的三维导电网络,有利于电极中的电子传递。由Ni-Fe-Mo电极组装的全电解池达到10 m A cm-2所需电压仅为1.50 V（1 M KOH）,且在500 m A cm-2电流密度下能够稳定工作超过200 h。