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当前,由于化石燃料的急剧损耗,人类面临着两大世界性问题:1)化石燃料的燃烧造成的环境污染和恶化问题,2)化石燃料的不断损耗,所造成的能源短缺问题。以上两个问题如果不尽快解决,将会大大限制社会和人类的生存和发展。所以寻找和开发清洁、可持续、能量密度高的替代能源已势在必行。在目前发现和开发的多种可持续能源中,氢能源由于具有能量密度高、资源分布广泛、易储存、燃烧产物无污染、可再生等优点,被认为是未来最具有开发潜力的能源之一。电解水技术是一种将电能直接转换为化学能的方法,并可灵活的和其他可再生能源如风能、潮汐能、太阳能等联合使用,同时也可以达到将这些可再生能源以化学能的形式储存起来的目的。这样一来,电解水技术也可以作为一种其他可再生能源的中转体系,可将其他能源转化为氢气或者氧气储存起来。电解水反应可分为阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。但是不论阴极和阳极,都需要高效、稳定的电催化剂才能使得水分解反应能够有效的进行。Pt及其合金被认为是析氢反应中催化活性最好的电催化剂,而Ir、Ru及其合金被认为是析氧反应中催化性能最好的电催化剂。但是,遗憾的是Pt、Ir、Ru等这类贵金属存储量较少,并且价格昂贵,抑制了这类电催化剂的大规模生产和实际应用。所以,开发、设计、寻找价格低廉、催化活性高且稳定的非贵金属催化剂已成为目前关注的焦点。本论文主要针对高效、廉价且稳定的电解水催化剂,应用纳米化、孔结构调节、形貌调控、导电载体及表面态调控的技术设计出具有优异催化活性的电催化剂,并进行了相应的机理探讨。论文主要包含四个工作:首先,我们从形貌调控电催化性能的角度出发,利用共沉淀的方法制备了中空多孔磷酸镍纳米球,将其作为高效的析氧催化剂;其次,我们从形貌调控和表面缺陷共同调节电催化性能角度出发,将前一章制备的中空多孔磷酸镍纳米球在还原气氛中高温煅烧,制备富氧缺陷的磷化镍多孔空心球并作为电解水双功能催化剂;随后,我们从掺杂元素调控催化剂表面态的角度出发,利用碳布作为载体,负载双功能催化剂Co0.84Sn0.16P CC;最后,我们同时结合形貌和表面调控,以镍网作为导电载体,负载高效析氢催化剂Ni3Sn2S2@Ni3S2 NF。其具体内容如下:1.从形貌和孔结构改善电催化剂电子传输,提高催化剂电催化能力的角度出发,使用简单的室温沉淀反应制备了无定型的中空多孔磷酸镍纳米球,同时探究了该纳米球的生长过程和生长机制。在测试电化学过程中,研究了不同碳复合中空多孔磷酸镍纳米球催化剂的OER催化性能。最优的催化剂在电流密度为10 mA cm-2的过电势为330 mV,塔菲尔斜率为76.5 mV dec-1。其性能和商业化的RuO2相近,并且在连续OER电解20小时后,未观察到明显的衰减。碳提高了催化剂整体的导电性,多孔和中空的结构提高了磷酸镍在催化过程中的电荷传输能力,并且增加了电解液和催化剂之间的接触面积。2.我们通过控制还原温度,在延续前一章材料的孔结构和形貌的同时,在中空多孔纳米球上引入大量的O空位,制备了富氧空位的中空多孔磷化镍纳米球,同时探究了还原温度对于孔结构的变化及材料形貌的影响。富氧空位的中空多孔磷化镍纳米球的性能远远优于使用NaH2PO2制备的催化剂的性能。最优的HER催化剂在10 mA cm-2的电流密度下的过电位仅为93 mV,并具有优异的电化学稳定性。3.将其它元素掺杂进金属或非金属基来修饰和调节催化剂的物理化学性能和电子结构,可以整体的提高催化剂活性,这也是一种有效且简便的方法。但需要注意的是,这些过渡金属元素本身均具有催化活性,提高的原因可以归功于掺杂元素和催化剂本体的协同作用。不具有催化活性的过渡金属元素掺杂的电催化剂并未被合成,其析氢催化机理也尚不明确。鉴于此,我们将3d过渡金属且不具有催化活性的Sn元素成功掺杂入CoP纳米线中,并调控了Sn元素掺杂进入CoP的含量。实验结果表明,适量的Sn掺杂不仅仅提高了Co1-xSnxP在基底上的分散度,还提高了CoP中Co离子位点的催化活性。最优的Co0.84Sn0.16P CC表现出优异的HER和OER活性。在HER中,当电流密度达到10 mA cm-2时的过电位为60.3 mV,塔菲尔斜率为40.8 mV dec-1。而在OER中,当电流密度达到50 mA cm-2时的过电位为360 mV,对应的塔菲尔斜率为82.8 mV dec-1。4.结合形貌调控和调节催化剂表面态,来影响中间体在电催化剂上的吸附力,从而使得催化剂的性能有所改善。我们制备了分散均匀且密度较高的Ni3Sn2S2量子点锚定在超薄Ni3S2纳米片上（Ni3Sn2S2@Ni3S2）的材料,并将其作为碱性环境下高效的非贵金属氢气析出电催化剂。该纳米催化剂在低电流密度下展现出和贵金属（Pt/C）相似的催化活性,但是在高电流密度下性能将会超越贵金属（Pt/C）。通过对实验结果和理论计算的分析,得出该催化剂性能提高的原因主要归功于可暴露更多催化位点的特殊形貌和原子重组后造成的H-S键的作用削弱。Sn原子的引入,会造成Ni3Sn2S2晶体中未配对的NiA-d轨道的电子离域,使材料的d轨道中心更接近费米能级。于此同时,也会造成Sn-p轨道的电子离域,阻止催化剂表面H-S键的杂化形成,起到优化和调节H原子在电催化剂表面的吸附和脱附作用。