日益严重的能源危机和环境污染问题,迫使全球努力开发清洁和可再生能源,以取代传统的化石燃料。氢能因为具有资源丰富,热值高,清洁等优点,已成为最有前途的能源载体之一。然而,目前大约90%的氢是通过碳氢化合物转化产生的,这既不节能也不环保。电化学水分解（2H₂O→O₂+2H₂）作为一种清洁高效的制氢和储氢方法,近年来得到了广泛的研究。因此,探索一种高效、经济、耐用的水分解电催化剂具有重要意义。目前最先进的催化剂主要为贵金属基催化剂（HER的Pt电极以及OER的IrO₂和RuO₂电极）,然而贵金属高成本、稀缺性的缺点限制了电解水的进一步发展。在近几年的研究中,廉价易得的过渡金属因其独特的电子构型,表现出了优异的电化学性能,显示出了可替代贵金属作为电解水催化剂的潜力。本论文针对过渡金属化合物（如硫化物,磷化物,氢氧化物）的优点及存在的缺陷,结合一些导电基底材料（如泡沫镍（NF））的优点,分别从材料组成、形貌、电极结构等方面对其进行了改进,以提高其电化学水分解性能,具体的研究工作如下:1.将多相析氢反应（HER）和析氧反应（OER）电催化剂整合成具有特定界面和结构的复合催化剂,对于开发高效的双功能催化剂以实现整体水分解具有很大的应用前景。在此基础上,设计合成了泡沫镍负载的多相MoS₂-Ni（OH）₂电催化剂（MoS₂@Ni（OH）₂/NF）,在Ni（OH）₂纳米棒阵列表面修饰MoS₂纳米薄片。异质材料中分层的一维/二维结构不仅有利于催化位点的暴露,也加速了电荷的转移。这些异质界面处的协同作用,调整了材料的电子结构,改善了HER、OER以及整体水裂解的催化活性和反应动力学。在1 M KOH溶液中,MoS₂@Ni（OH）₂/NF在10 mA cm^-2的电流密度下,其HER和OER的低过电位分别为134 mV(35 mV dec^-1)和233 mV(58 mV dec^-1)。此外,当MoS₂@Ni（OH）₂/NF材料用作整体水分解的双功能电极时,在10 mA cm^-2处,整体水分解电压仅需要1.46 V,并能在50个小时的连续工作中依旧保持高催化活性,这优于大多数已报道的无贵金属双功能电催化剂。这种复合催化剂的非均相设计为能源应用功能材料的开发提供新思路。2.在中性电解质中高效的进行HER过程,对于电催化剂的实际应用具有重要意义,但目前大多数催化剂仅在酸性或碱性介质中具有良好的催化活性。本文提出了表面调制方法,将Ru掺杂到泡沫镍支撑的Ni₂P纳米片阵列（Ru-Ni₂P/NF）表面,以激活其高效的析氢活性。钌元素实现了优化的表面化学催化作用,包括提高内在催化活性,增新活性中心密度,改善反应动力学。所得电极具有类似Pt电极的催化活性,并且在中性和碱性溶液中都具有良好的稳定性。通过这种表面化学调制方法来探索高效且宽pH范围的电催化剂,对开发先进的能量转换材料具有重要的应用价值。3.析氧反应（OER）是水裂解系统、燃料电池和金属空气电池中的一个关键过程,但用简单的方法开发廉价、高效的OER催化剂是一个巨大的挑战。我们采用两步水热法,制备了直接在三维导电基底泡沫镍上生长的Ni₃S₂/Co₃S₄纳米薄片,其中二维纳米薄片交错组装成三维花球结构。由于Ni-Co-S中Co原子的掺入,在原子尺度上形成大量的缺陷位点,改变了Ni-Co的电子结构,增强了材料的本征催化性能。同时,三维的花球结构增加了材料的导电性与稳定性。其在1 M KOH溶液中,有较低的过电位(η₁₀=242 mV)和Tafel斜率(45.3 mV dec^-1),并且在长达30小时的测试后依然能保持良好的形貌和催化活性。该工作为制造高效、稳定和低成本的OER电催化剂提供了一个有效的策略,有望促进与OER相关的储能和转换技术的发展。