氢气不仅是重要的工业原料,而且是高效的二次清洁能源,其对我国及世界发展低碳经济、改善生态环境、缓解能源危机具有重要意义。电解水制氢技术原料来源丰富、环境友好、产氢纯度高、碳排放量低,可实现水电、光伏电力、风电等可再生能源的高效利用,是迎接“氢能经济”时代最具前景的制氢技术之一。电解水反应包括阳极析氧反应(OER)与阴极析氢反应(HER)两个半反应,此过程依赖于高效的催化剂以降低OER与HER能垒,加速电极反应,提高能量转化与制氢效率。由于酸性介质中缺乏高效稳定的OER催化剂,碱性电解水技术是最具应用潜力的电解水制氢工艺。贵金属催化剂是目前活性最佳的电解水催化剂,但高昂的成本将其束之高阁。开发廉价、高效的碱性非贵金属催化剂是提高电解水制氢效率和推动氢能经济发展的重要手段。围绕这一目标,本研究基于高本征析氧催化活性的层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxide,LDH)与高导电性、高表面活性、高亲水性的二维过渡金属碳化物(MXene)之间的电子、结构与化学耦合协同作用,融合表界面工程与电极构造优化策略,发展了一系列新结构、高性能碱性电解水催化剂,主要工作内容如下:基于NiFe-LDH纳米片在二维MXene表面的液相原位沉积与阵列化自组装过程,发展了具有介孔纳米界面结构与高电化学活性面积的高性能OER催化剂构筑新策略。此类结构中,MXene作为导电基底加速载流子输运与交换,同时抑制LDH的堆叠团聚;LDH亦在提供OER催化活性位点的同时高效抑制MXene在范德华力作用下的面面堆叠。理论计算表明:MXene与LDH二维纳米结构之间显著的电子转移效应,可促进高价态Ni活性位的生成以及OER反应中间产物的吸附转化。当应用为OER电催化剂时,所得的NiFe-LDH/Ti3C2-MXene(ηj=10=298 mV)在碱性溶液中表现出优于贵金属RuO2及石墨烯基层状双金属氢氧化物催化剂的催化活性与稳定性。原位界面耦合非晶态介孔NiFe-LDH纳米阵列结构与MXene三维骨架,建立了OER/HER双效协同电催化界面与三维分级多孔整体式催化电极的构筑新策略。在利用MXene与NiFe-LDH之间的电子转移效应增强其对OER中间物种OOH*的吸附能力的基础上,基于MXene的高亲水性实现催化界面对水分子(碱性条件下HER起始物种)的快速吸附与高效活化,加速碱性HER控速Volmer步骤。获得的整体式电极富含介孔-大孔分级孔道结构,为电化学催化反应提供了丰富的气-固-液三相活性界面区域与电解液/气态产物扩散通道,避免了使用粘结剂引起的电极极化与电化学活性面积损失。所获NiFe-LDH/MXene/NF催化电极可直接用于构建碱性电解水系统,仅需1.75 V电压即可获得接近工业化应用标准的大电流密度(500 mA cm-2),并可在100 mAcm-2下稳定使用200 h,法拉第效率达98%,活性与稳定性均优于贵金属Pt/C与RuO2催化剂组合。有机融合La元素化学掺杂策略与三维电极中MXene亚结构空间取向的定向调控技术,进一步优化NiFe-LDH/MXene催化电极的电化学反应界面结构,突破NiFe-LDH催化析氢活性低的瓶颈。利用垂直取向多孔MXene(v-MXene)三维结构暴露更多活性位点,提供更丰富的荷质传输通道;基于La元素对LDH的化学掺杂调控其微观形貌与电子结构,显著提升催化剂析氢活性。将所制备的NiFeLa-LDH/v-MXene/NF电极应用于全电解水时,仅需1.71 V电压即可获得500mA cm-2的大电流密度,工作寿命可达400 h,法拉第效率接近100%。