氢能凭借其独特优势成为清洁能源的重要形式之一。然而,目前仅4%的氢气是由电解水方式制取的。作为主要的电解技术之一,质子交换膜（PEM）电解制氢技术对贵金属铂（Pt）、钌（Ru）、铱（Ir）催化材料过度依赖,成为限制其大规模应用的一项关键问题。发展不含Pt的析氢（HER）催化材料以及改善Ru基析氧（OER）催化材料的性能是推动PEM电解技术发展一项重要内容。目前,2H晶相二硫化钼（Mo S2）材料基平面中硫空位缺陷作为活性中心展示出优异的本征HER活性。然而,这些S空位用于HER催化时稳定性表现不足,并且催化表现对空位浓度非常敏感,亟需有效的策略来稳定这些高活性的S空位。与此同时,用于OER催化的Ru O2材料,相比于昂贵的Ir O2,具有更廉价的成本以及更高的活性,然而Ru O2催化剂在强酸条件下稳定性低,易氧化降解失活,提高Ru基材料OER催化稳定性也是一个严峻挑战。鉴于此,我们从合理设计材料、优化工程工艺、理解相关机理等角度出发,借助于空位、掺杂、复合等工艺调控手段,旨在提高Mo S2基材料以及Ru基材料的性能,具体内容如下:1.我们合理设计催化体系,将2H相Mo S2负载于富含缺陷的垂直石墨烯网格（VGN）中,形成稳固的2D-2D硫化钼-石墨烯异质结,从而稳定硫化钼中的硫空位。能量上具有优势的线型硫空位展示出高的HER活性,并且催化活性对空位浓度不敏感。石墨烯载体及其碳空位缺陷能够稳定硫化钼中的硫空位。催化剂在10 m A cm-2析氢电流密度下仅需要128 m V过电位和具有50 m V dec-1的Tafel斜率,更为重要的是,它实现了在10 m A cm-2电流密度下超过500 h的长期运行,超越了适用于酸性体系的大多数非贵金属HER催化剂。2.在Mo S2与石墨烯复合材料基础上,我们通过在二维（2D）二硫化钼上痕量钯（Pd）掺杂来创建S空位,制备了性能稳定的应用于酸性体系的产氢电催化剂。该催化剂在10 m A cm-2的析氢电流密度下仅需106 m V的过电位,最为重要的是实现了超长析氢稳定性,在10 m A cm-2电流密度下持续工作超过1000小时。理论模拟揭示替代掺杂的反应路径,结果显示为在Mo空位、晶界、缺陷、Mo S2晶格边缘位置处Pd掺杂容易引发,且掺杂后可以维持硫化钼相结构稳定。理论分析表明,Mo S2被稳定于富含缺陷的垂直石墨烯载体上,其2D-2D界面的强相互作用增加了催化剂和载体的粘附,而Pd掺杂产生丰富的硫空位,增强H吸附及活性,以及进一步增强层间粘附及稳定性。该部分内容提供了一种制备稳定、高效、廉价HER催化剂的策略。3.我们采用分散稳定化策略,将Ru OCl催化活性物质分散于廉价的耐酸耐氧化的氧化锰（Mn Ox）载体材料中,实现了Mn原子将Ru原子的均匀稀释,阻止了Ru OCl的聚集,并增加了缺陷活性位点。催化剂在10 m A cm-2析氧电流密度下维持280 h的稳定运行,远超商用Ru O2或无载体稳定的Ru OCl材料的稳定性,并且在10 m A cm-2电流密度下所需过电位仅为228 m V及具有43 m V dec-1的Tafel斜率。催化剂优异的稳定性得益于Mn Ox载体减缓了Ru的氧化腐蚀,而Ru活性中心使得OER过程维持在低电位运行从而减缓了Mn Ox的降解,两者协同实现了材料的长期稳定催化功能。