化石燃料的长期依赖致使能源枯竭,环境恶化。能源环境可持续发展的紧迫性倒逼人类寻找可替代的理想能源载体。氢能凭借其低碳排、来源广、高热值等诸多优点在能源领域得到了广泛关注和持续研究。电解水制氢作为绿色的制氢技术能得到高纯氢气。电解水制氢包含析氧反应（OER）和析氢反应（HER）两个半反应。由于这两个半反应的能垒较高,高效电催化剂对于电解水体系的高效运转,实现高效率产氢尤为重要。目前高效的电催化剂仍是贵金属基化合物,即OER使用Ru O2/Ir O2,HER使用Pt/C,但这些贵金属价格高昂,来源有限极大制约了其实际应用。为解决这个问题,学界致力于开发高效的非贵金属过渡金属催化剂。其中相当一部分钴基材料凸显出取代贵金属催化剂的潜力,但其催化活性与贵金属仍有大的差距,同时稳定性也有待加强。本论文立足电解水这一重要能量转换反应,以钴基材料为研究对象,旨在通过材料的合理设计构筑,寻找高效钴基电解水催化剂,并分析其上OER和HER的反应机制,从而进一步提出优化催化剂性能的方法。本硕士学位论文主要工作如下:（1）首先采用简单的溶剂热法合成双金属MOF-74-Co/Fe,随后以MOF-74-Co/Fe为前驱体在高温下硒化热解直接得到具有丰富异质结结构的钴铁双硒化物纳米棒（Co Se2/Fe Se2@C）OER催化材料。实验证明双金属比例和硒化温度对催化材料的析氧性能有明显的影响。对合成的Co Se2/Fe Se2@C进行详细的结构表征发现:该材料的结构中有丰富的异质结结构和氧空位。碱性OER电化学性能测试表明,优化后的催化剂在10 m A cm-2的电流密度下,能够提供219 m V的超电势以及62 m V dec-1的Tafel斜率。这些都明显地优于等同的单金属硒化物以及商业Ru O2。显著的OER性能的提升得益于其较大的反应活性比表面积、异质结结构中强烈的电子耦合作用以及不同组分的协同作用。此工作会对异质结纳米催化材料的合成提供可行的路径,并且揭示了异质结结构对OER活性的重要作用。（2）钴基层状双金属氢氧化物（Co基LDH）表现出了潜在的电催化性能,然而在碱性介质中其HER的Volmer基元步骤动力学表现迟缓,这限制了其HER活性的进一步提升。为解决这一问题,本工作合成了钴和钒的双金属LDH,在Co V-LDH中引入对氢和氧中间体都有合适吸附能的金属钌,以平衡H2O和H的吸附,促进水的解离。实验采用一步水热的方法在泡沫镍上原位生长出Co VRu-LDH阵列结构。设计制备的Co VRu-LDH/NF在碱性介质中析氢活性极大提升,其10 m V cm-1的过电位低至32 m V,Tafel斜率为36.4 m V dec-1,这说明钌对HER动力学过程具有明显的提升作用。同时,相对于Co V-LDH/NF,该材料的OER性能也表现出一定的增强。将其应用到全水解体系,仅需1.50 V的电压达到10 m A cm-2。本工作通过极少量的钌掺杂使得Co V-LDH/NF的析氢性能显著提升,并使其具有双功能催化作用,为钴基LDH作为双功能催化剂的进一步优化提供了思路。（3）通过水热方法及后续的磷化过程制备出Co P/Co Mo P/NF的纳米片阵列催化剂。制备得到的Co P/Co Mo P/NF在碱性条件下有着优异的析氢性能。在10 m A cm-2时,其可以提供51 m V的超电势。此外其拥有一个44.5 m V dec-1的Tafel斜率。相比于Co P/NF来说,其催化性能明显提升。进一步的结构解析和电化学测试表明:Mo的引入很好的协助Co P在碱性介质中发挥析氢能力,致使其析氢催化性能发生了显著提高。综上,本硕士论文紧紧围绕钴基电解水催化剂的性能优化开展了一系列研究工作,通过空位、掺杂、形成异相界面等途径,优化催化剂的电子结构,设计了三种钴基电催化剂,显示出优异的电化学催化性能。本论文工作为丰富钴基电催化剂材料和深入认识电解水过程起到一定作用。