氢能是用于代替传统化石能源最具前景的绿色、高效二次能源,已被我国及世界发达国家列入国家能源发展战略轨道。融合太阳能、风能等可再生能源的电解水技术是我国迎接“氢能经济”时代、实现“碳达峰、碳中和”目标的主要低碳清洁制氢技术方向之一。电解水制氢技术环境友好、产氢纯度高、碳排放量低、可以实现间歇性可再生能源的规模化存储与可持续利用,是备受瞩目的绿色制氢技术方向之一,但其规模化应用仍受制于高能耗成本和对高纯淡水资源的依赖。由于水裂解反应的理论电压高达1.23 V,通过对催化剂及电解工艺的优化难以突破性降低制氢能耗成本。海水、苦咸水、工业废水等低品位水体占地球水资源的97%以上,是重要的氢能来源。然而,低品位水体复杂化学环境导致的电极污染失活、副反应与腐蚀等问题,也严重制约了制氢过程的效率与可持续性。针对以上难题,本论文基于水裂解反应化学过程的解耦与重组,创制了低能耗、低排放、低成本的低品位水体（如海水、酸碱废水等）直接电解制氢新策略,并设计了适用于低品位水体复杂环境的催化电极,主要工作内容如下:针对海水电解析氯气腐蚀阳极的问题,设计了高活性析氧催化剂,通过降低阳极电势避免析氯副反应的发生。利用Ni Fe-BDC金属有机骨架化合物与具有高亲水性、类金属导电性的二维过渡金属碳化物（MXene）的化学耦合,发展了一类新结构、高活性、高稳定性的析氧电催化剂,具有高导电性、低团聚、大活性面积等优势。基于催化剂水分子吸附性能、荷质输运性质、电化学反应活性面积的综合优化,提升了电极活性与反应动力学速率。所得复合催化剂在碱性海水中具有优于贵金属Ru O2的析氧活性、抗离子污染能力和长期使役稳定性;匹配商业化Pt/C催化剂用于直接电解碱性海水时,可在～1.7 V电压稳定运行110 h且无析氯副反应及阳极腐蚀,法拉第效率接近100%。针对水裂解反应热力学能垒高的问题,以低热力学能垒的肼氧化反应取代高能耗的阳极析氧反应,在突破电解水反应理论电压（1.23 V）与能耗(2.94 k Wh m-3 H2)限制的同时,有效避免阳极氯氧化副反应,发展了一种低能耗、无氯腐蚀的混合海水电解制氢策略。化学耦合Ni Co掺杂碳纳米片与MXene包覆的三维导电骨架结构,设计构筑了一类具有亲水/肼-疏气界面性质的高活性、析氢-肼氧化双功能电催化剂。应用于碱性海水电解制氢时,在500 m A cm-2的电流密度下电解池电压低于1.15 V,产氢速率能够达到9.2 mol h-1 gcat-1,基础电耗为2.75 k Wh m-3 H2,与商业碱性电解水相比降低40-50%,CO2排放比天然气重整制氢技术相比降低90%以上。同时实现水体中剧毒肼污染物的快速降解,肼残留值（～3 ppb）低于美国环保署的饮用水肼含量标准（10 ppb）。围绕制氢节能降耗的目标,建立了酸碱中和能驱动的按需产氢、发电及高浓盐水淡化的技术策略。这一技术不仅可利用酸碱中和反应自身的化学能,更可自发捕集环境中的低品位热能,在无需外部供电情况下实现产氢及/或发电。通过化学耦合Pt纳米颗粒与MXene包覆的三维导电骨架,获得了质量比活性优于商业化20%Pt/C催化剂的低Pt析氢催化剂（3.97 wt.%Pt）。匹配上文发展的高活性肼氧化电极所构建的电化学中和能电池每制取1 m~3 H2,可同时产生0.81 k Wh电力,峰值功率密度最高为85.5 m W cm-2;仅用于产氢时产氢速率最高能够达到70.1 mol h-1 m-2,法拉第效率接近100%,并同时以56.1 mol h-1 m-2的脱盐速率实现高浓盐水快速淡化。无需停止过程运行或改变装置构造即可切换发电或产氢模式。通过经济分析粗略估算,在理想情况下,当使用工业酸碱、含肼废水、卤水等低品位水体时,其制氢成本可比可再生能源驱动的商业化碱性电解水技术降低70-80%。