面对化石燃料的迅速枯竭和随之导致的环境污染等日益严峻的问题,发展清洁和可持续的替代能源迫在眉睫。氢能具有非常高的能量密度且燃烧产物无污染,是传统化石能源最为理想的替代品之一。在各种制氢途径中,工艺相对简单的电解水制氢技术被认为是当前最有实际应用前景的可再生能源转化技术之一。电解水技术能够大规模地制备高纯度的氢气,它涉及两个分别发生在阳极和阴极上的半反应,即氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER）。目前,铂（Pt）及其化合物是性能最好的HER电催化剂,而贵金属氧化物（RuO₂/IrO₂）则是性能最好的OER电催化剂,然而,其高昂的价格和较低的储量却在很大程度上制约了其实际应用价值。因此,设计并制备高效、低成本且储量丰富的非贵金属基电解水电催化剂具有非常重要的现实意义。本论文从设计高效的非贵金属电催化剂和对催化剂进行结构及形貌的修饰与调控以提高催化剂的本征催化活性等角度出发设计了如下几种高效的电解水电催化剂:（1）通过可控的磷掺杂技术制备了负载在泡沫镍上的磷原子掺杂的Co₃O₄纳米线阵列（P-Co₃O₄/NF）。P-Co₃O₄/NF表现出优异的OER和HER电催化活性及电解水活性和稳定性。密度泛函（DFT）理论计算证实了P掺杂能够优化OER过程中关键中间体的吸附能进而显著地提高Co₃O₄的OER电催化性能。这项工作开辟了一种以非金属元素P作为掺杂剂显著地提高过渡金属氧化物电解水催化性能的简易但有效的方法,并有望应用于其他相关的过渡金属基纳米材料的电催化应用。（2）采用ZIF-67为前驱体通过可控的N掺杂技术制备了富含缺陷的氮掺杂Co₃O₄/C多孔纳米立方体电催化剂（N-Co₃O₄@NC）。N-Co₃O₄@NC具有优异的OER电催化活性,在碱性溶液中达到10 mA cm^-2电流密度时对应的过电势仅为266mV。DFT理论计算表明,N掺杂可通过改善Co₃O₄的电导率、加速反应动力学并优化OER中间体吸附能来促进Co₃O₄的OER电催化活性。此外,N-Co₃O₄@NC同样表现出良好的氧气还原反应（ORR）电催化活性,使得其能够作为双功能氧气催化电极,并将其应用于锌空气电池领域。以N-Co₃O₄@NC为空气阴极组装的锌空气电池具有良好的能源转化效率和耐久性,说明N-Co₃O₄/NC纳米复合材料可应用于电化学能量转换领域。（3）通过阴离子交换反应将负载在钛网上的Ni（OH）₂纳米阵列转化为NiTe₂纳米片阵列（NiTe₂/TM）。NiTe₂/TM具有优异的OER电催化性能和优良的电化学稳定性。其优良的OER电催化性能可归结为其独特的多孔纳米片阵列结构、特有的金属性特征、出色的电导率以及氧化条件下原位生成在NiTe₂表面的高效OER活性物质（NiOOH）。本工作制备了一种高效且低成本的OER电催化剂,作为一种非常有吸引力的三维电极材料,为探索过渡金属碲化物纳米阵列的应用开辟了一条新的途径。（4）以泡沫镍为Ni源,NaHTe为Te源通过相对简单的一步碲化处理直接得到负载在泡沫镍上的碲化镍纳米片阵列（NiTe/NF）。其独特的金属性和三维纳米阵列结构赋予了NiTe/NF优异的电催化氧气析出反应电催化性能和长时间稳定性。本工作开发了一种高效、低成本的碲化镍基OER催化剂,且所开发的碲化方法有望应用于其他过渡金属碲化物电催化剂的制备。