碳达峰、碳中和目标的提出迫使人们需要大力发展绿色低碳能源,在太阳能、风能等各种绿色能源中,氢能由于其燃烧热值高、对制氢场地无严苛要求等特点成为一种有应用前景的低碳能源。在各种制氢方法中,电解水制氢是唯一一种对环境无污染的制氢方法,但电解水过程需要有催化剂的使用以减少额外的能量消耗并提高反应速率。目前贵金属基电催化剂表现出最优异的电催化性能,但贵金属的低储量和高成本限制了它们在工业中的大规模应用。因此,需要寻找低成本高性能的非贵金属基电催化剂以替代贵金属基电催化剂的使用。本文利用不同杂原子掺杂的垂直石墨烯阵列分别负载铁系金属磷化物（Iron group metal phosphides,IMPs）、铁系金属硼化物（Iron group metal borides,IMBs）制备了一系列复合电催化剂用于广p H范围内的全水解,主要包括以下两个方面:（1）通过一步定向冷冻工艺和热处理法成功制备了多种不同杂原子掺杂的垂直石墨烯阵列（X-r GO,X=N、P、B、S、O）,石墨烯具有良好的垂直结构并且具有足够的机械强度可以作为自支撑材料的基底;然后利用化学沉积的方法将Fe Co Ni P纳米颗粒负载在上述杂原子掺杂垂直石墨烯阵列上（Fe Co Ni P@X-r GO,X=N、P、B、S、O）,利用扫描电子显微镜（Scanning electron microscope,SEM）、透射电子显微镜（Transmission electron microscope,TEM）等多种表征手段研究了样品的表面形貌和微观结构,发现Fe Co Ni P纳米颗粒粒径均一并且在石墨烯基底上分布均匀;利用线性扫描伏安法（Linear sweep voltammetry,LSV）、循环伏安法（Cyclic voltammetry,CV）、电化学阻抗谱（Electrochemical impedance spectroscopy,EIS）等多种电化学测试手段研究了Fe Co Ni P@X-r GO（X=N、P、B、S、O）在广p H范围内的全水解性能,结果显示Fe Co Ni P@P-r GO性能最佳,非常接近于Pt/C@P-r GO和Ir O2@P-r GO;并采用密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算研究了Fe Co Ni P@P-r GO优异催化性能的内在机制,发现Fe Co Ni P中的P与P-r GO中的P存在一种协同效应,具体表现为P-r GO中的P能够促进Fe Co Ni P纳米粒子中由金属Fe Co Ni向P的电子转移。本章研究了IMPs与不同杂原子掺杂石墨烯间的协同效应,为IMPs复合电催化剂寻找了合适的基底,同时为其他过渡金属基电催化剂的设计给出启示。（2）采用上述实验的X-r GO（X=N、P、B、S、O）通过相同的化学沉积法制备了杂原子掺杂石墨烯垂直阵列负载Fe Co Ni B纳米颗粒复合电催化剂（Fe Co Ni B@X-r GO,X=N、P、B、S、O）。利用SEM、TEM等多种表征手段研究了样品的表面形貌和结构,Fe Co Ni B@B-r GO垂直结构良好,并且Fe Co Ni B纳米颗粒粒径均一且分布均匀;利用LSV、CV、EIS等多种电化学测试手段研究了Fe Co Ni B@X-r GO（X=N、P、B、S、O）在广p H范围内的全水解性能,结果显示出Fe Co Ni B@B-r GO表现出最优异的电催化性能,甚至要优于Pt/C@B-r GO和Ir O2@B-r GO。X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）结果显示Fe Co Ni B@B-r GO性能优异的原因是由于B-r GO中的B也存在向Fe Co Ni B金属位点的电子转移。与上一章的Fe Co Ni P@P-r GO相比,Fe Co Ni B@B-r GO的性能得到了进一步提升,原因可能是Fe Co Ni B@B-r GO中金属位点的高电子密度以及富含缺陷的非晶态结构。本章对非贵金属基电催化剂的合理设计提出参考,促进了非贵金属基电催化剂在电解水行业的应用,推动了电解水制氢行业的发展以及低碳环保能源的使用。