随着能源危机与环境污染日益严重,氢能作为一种高效的清洁能源,成为人们重点关注对象。实现氢能商业化应用,廉价、规模化制氢成为其最基本挑战。在当前几种制氢技术中,电解水（Water splitting）制氢是最简单有效的方法之一。由于电解水存在过电位高和反应动力学慢等问题,导致电解水的实际效率较低,限制了其快速的发展。因此,研发高效、稳定的电催化剂成为电解水技术发展的客观需要。目前,铂基材料是公认电催化析氢（Hydrogen evolution reaction,HER）活性最好的催化剂,而电催化析氧（Oxygen evolution reaction,OER）活性较好的催化剂是贵金属钌、铱以及其氧化物。但贵金属基催化剂的高成本以及稀缺性,严重地制约其在电解水领域的应用。因此,探索高效、稳定的非贵金属基电催化剂具有重要的意义。在非贵金属基电催化剂中,过渡金属（Fe、Co、Ni等）基催化剂由于含量丰富、拥有独特的电子结构以及良好的电化学活性等特点得到重点关注。在过去的几十年中,由于具有较大的电化学活性面积、快速的电荷传输、反应物种类的有效质量传输以及产物气体的有效释放等特点,一维纳米材料和纳米结构在电解水领域得到实质性的研究。研究发现,作为电催化剂,一维纳米材料表现出较低的过电位以及较快的反应动力学,在电解水方面展现出巨大的潜力。针对电解水催化剂高成本、低活性以及稳定性差等问题,本论文设计并合成出一系列一维过渡金属氧族纳米催化剂。通过对材料形貌以及结构的优化,提高了催化剂的催化活性,并探讨其构效关系。主要研究工作如下:（1）设计出大比表面积和高电传导性的钙钛矿氧化物,研究发现可有效地提高其的OER活性以及反应动力学。本实验采用静电纺丝和电泳技术,成功地制备出碳量子点（CQDs）修饰Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ（BSCF）纳米纤维催化剂（CQDs@BSCF-NFs）。研究发现,CQDs和纳米纤维可以有效地提高催化剂的电导性以及比表面积,进而提高催化剂的OER活性以及反应动力学。电化学测试结果表明,CQDs@BSCF-NFs仅需要350 mV过电位就可获得10 mA·cm^-2电流密度,远低于BSCF-NFs的380 mV和块状BSCF的420 mV。CQDs可调控BSCF-NFs的比表面积、表面氧空位浓度以及功函数,从而提高催化剂的电催化性能。（2）设计出丰富孔隙以及活性物质均匀分布的纳米纤维催化剂,发现可以有效地提高其双功能催化活性。本实验结合金属有机物框架和纳米纤维的特点,采用静电纺丝技术以及高温硫化法,成功地制备出多孔硫、氮共掺杂碳包裹Co₉S₈纳米纤维（Co₉S₈@S,NC-NFs）。相比于块状Co₉S₈@S,NC(比表面积为113.04 m²·g^-1),Co₉S₈@S,NC-NFs的比表面积得到较大的改善,增大至326.47 m²·g^-1,为电化学反应提供较大的活性面积。同时,Co-N_x结构以及S、N共掺杂C结构缺陷,为电化学反应提供新的活性位点。从形貌和结构缺陷上,改善了催化剂材料的催化活性。电化学测试结果表明,Co₉S₈@S,NC-NFs在碱性条件下呈现良好的双功能催化活性。在10mA·cm^-2电流密度处,Co₉S₈@S,NC-NFs展现出较低的OER和HER过电位,分别为300和108 mV。将Co₉S₈@S,NC-NFs应用到全电解水中,在1 M KOH电解质中,全电解体系Co₉S₈@S,NC-NFs||Co₉S₈@S,NC-NFs仅需要1.54 V外电压就可以获得10 mA·cm^-2电流密度并能稳定催化水分解长达50 h,在强碱电解质中展现出高效的电解水活性以及稳定性。（3）设计出含碳纳米纤维材料,发现可以有效地提高催化剂的稳定性以及活性。本实验利用静电纺丝技术以及一步烧结法,成功地制备出多孔的氮掺杂碳包裹NiSe₂纳米纤维（NiSe₂@NC-NFs）催化剂。实验结果表明,纳米纤维中氮掺杂碳增加了催化剂的结构缺陷以及比表面积,进而有效地提高了催化剂的电化学活性面积以及反应动力学。在1 M KOH电解质中,NiSe₂@NC-NFs表现出良好的双功能催化活性。电化学测试结果表明,在OER和HER反应中NiSe₂@NC-NFs只需220和77.9 mV过电位就可获得10 mA·cm^-2电流密度。以NiSe₂@NC-NFs为阴阳两极的两电极体系（NiSe₂@NC-NFs||NiSe₂@NC-NFs）在碱性电解质展现出高效的电解水活性和稳定性。NiSe₂@NC-NFs||NiSe₂@NC-NFs在1 M KOH中只需要1.57 V外电压就能达到10 mA·cm^-2电流密度,并能够稳定工作长达50 h。（4）设计出含金属导体的异质结构,发现可以有效地增强催化剂的电传导特性,进而提高催化剂的反应动力学以及催化活性。本实验采用简单的高温热解法,成功地制备出硼、氮共掺杂石墨包裹Co/CoSe₂异质结构纳米管（Co/CoSe₂@B,NG-NTs）催化剂。实验结果表明,异质结构对催化剂的双功能催化活性具有显著的提升作用。纳米管状结构有效地增加了催化剂的比表面积,为催化剂提供了较大的电化学活性面积。石墨以及B、N掺杂碳结构极大地提高了催化剂的导电性,增强了电化学反应动力学。此外,Co与CoSe₂之间的电荷转移作用调节了活性物质的电子结构并优化了CoSe₂的功函数,提高了催化剂的活性。从形貌和结构上,改善了催化剂的催化活性以及电化学反应动力学。电化学测试结果表明,Co/CoSe₂@B,NG-NTs在碱性电解质中展现高效的双功能催化活性。在1 M KOH溶液中,获得10 mA·cm^-2电流密度,Co/CoSe₂@B,NG-NTs在OER和HER反应中的过电位分别为220和68 mV,该过电为远低于最新报道的非贵金属基催化剂。以Co/CoSe₂@B,NG-NTs为阴阳两电极的全电解体系（Co/CoSe₂@B,NG-NTs||Co/CoSe₂@B,NG-NTs）展现出优异的电解水活性以及稳定性。实验结果表明,Co/CoSe₂@B,NG-NTs||Co/CoSe₂@B,NG-NTs只需1.57 V外电压,就可以产生10 mA·cm^-2电流密度,并能稳定工作长达50 h。