随着传统能源的快速消耗,由此带来的能源危机和环境恶化问题引起人们的广泛关注,开发新型清洁能源势在必行。电催化能源转化技术具有操作简单,能量转化效率高等优点是清洁能源研究领域中的热点。本论文以电催化水分解为应用导向,研究高性能电催化剂。目前,电催化水分解反应面临电化学极化大,反应动力学慢,能耗高等问题,极大限制了能源转换效率。电极材料是电催化反应的重要载体,也是电催化过程中电子的传递介质和反应发生场所。因此,科学构建电极材料对提高电催化性能至关重要。贵金属材料是一类优异的电催化材料,但其稀有性和高昂的价格,限制了它在工业中的大规模应用。因此开发廉价、高效的电催化剂是电化学能源转化领域的重要课题。基于此,本论文旨在通过形貌控制、杂原子掺杂、孔结构引入等对非贵金属纳米复合材料进行有效调控,构建了高性能的电催化电极界面。本论文主要研究内容和结果如下:1.结合前驱物形貌导向法,首先在钛网上制备了Co₃S₄纳米刷电极,进一步通过低温磷化反应引入不同含量的P原子,成功构建了Co₃S_4-xP_x纳米刷催化电极。电催化析氢实验结果表明:P元素掺杂提高了电催化活性,且Co₃S₂P₂纳米刷电极在全pH值电解液中展现出优异的电催化性能。通过理论计算进一步证明P元素掺杂能调控本体Co₃S₄材料的电子离域,使其性质从半导体态过渡到导体态,更有利于电催化反应过程中电子的快速传输。此外,P元素掺杂调节了活性氢原子在材料表面的吸脱附自由能,加速析氢反应动力学。本工作构建了一种异原子掺杂的非贵金属纳米刷催化电极,同时该纳米刷电极在全pH值电解液中具有高活性的析氢性能。2.析氢催化剂在酸性电解液中具有更好的催化动力学,而析氧催化剂在碱性电解液中具有更优异的催化性能。因此,设计同一种催化剂在相同电解液中实现全水分解具有很大的挑战。前一个工作表明Co₃S₂P₂纳米刷在全pH电解液中表现出优异的析氢催化性能,在本节中通过研究表明Co₃S₂P₂纳米刷在碱性电解液中具有高效的析氧催化活性。因此,Co₃S₂P₂纳米刷在碱性电解液中具有全水分解的双功能性质。该电极优异的电催化性能主要归功于其自支撑Co₃S₂P₂纳米刷界面不仅有效的提高了催化反应过程中电子传输能力和气体的析出速率,还减少催化反应过程中因催化剂团聚而引起催化剂性能的降低。此研究结果将有助于研发一类自支撑三维纳米刷复合电极应用于有气相发生的电化学催化反应。3.通过以SiO₂纳米球为模板的造孔合成策略,高温热解原位制备了Mo₂C纳米颗粒负载在多孔氮掺杂碳上（定义为:p-Mo₂C/NC）。原位热解合成的复合材料,增强了Mo₂C催化剂与高导电基底之间的强耦合相互作用,有利于催化过程中电子的快速转移,从而加速反应动力学。p-Mo₂C/NC在酸性介质中表现出优异的析氢催化活性。其催化活性明显优于没有用SiO₂模板造孔合成的Mo₂C复合催化剂（Mo₂C/NC）。通过Tafel斜率分析研究电催化析氢反应的途径和机理。根据实验结果提出:对照催化剂Pt/C经过两电子反应历程,而Mo₂C/NC催化剂经过单电子反应历程。p-Mo₂C/NC催化剂经过混合制机理,即单电子过程和两电子过程均占50%。4.在第三个工作中,p-Mo₂C/NC复合材料虽然表现出优异的析氢催化活性,但是其催化性能还有待进一步提高。因过渡金属磷化物有优异的导电性和P原子对活性氢中间体有很好的吸脱附自由能,是一类优异的电催化析氢催化剂。鉴于此,在本工作中利用一步煅烧法高温热解钼酸铵、植酸和三聚氰胺,成功合成氮掺杂碳包覆MoP纳米粒子,其催化活性明显优于不加入植酸热解生成的Mo₂C复合催化剂。该工作发展了一种利用植酸作为磷源制备磷化物的绿色安全方法。