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大规模应用氢能源逐渐成为能源结构发展的趋势,而能够廉价、高效的制备氢气是实现该趋势的基础。在众多的制氢工艺中,电催化或光电催化分解水制氢,因其绿色和条件温和等特点,成为近年来研究的热点。电催化或者光电催化分解水过程包括阳极产氧反应(OER)和阴极产氢反应(HER)。由于阳极反应是个四电子得失过程,反应动力学缓慢,需要较高的过电势反应才会进行,是整个反应的速率控制步骤。设计和开发高效OER催化剂,降低阳极反应过电势是降低反应能耗,提高能量转化效率的关键。目前IrO2和RuO2是活性最高的OER催化剂,但是昂贵的价格和较低的储量限制了其在实际生产中的大规模应用。综合催化活性和生产成本两个方面的因素,过渡金属基OER催化剂受到了越来越多的关注。但是,过渡金属基OER催化剂因为存在导电性较差、活性点位少和吸附自由能不适宜等问题,其OER催化活性需要提升,以降低水分解的能耗。本论文从催化剂的电子结构和晶体结构入手,制备了高效的过渡金属基OER催化剂,有效提高了水氧化的效率:(1)针对催化剂活性点位少的问题,探究了两种制备氧化物、氢氧化物纳米片阵列催化剂的方法,制备了具有纳米片阵列结构的催化剂,从而增加了催化剂的电化学活性面积,暴露了更多的活性点位。(2)进一步地,以电化学沉积法制备的Co(OH)2纳米片阵列催化剂为基础,400 ℃下通过氮化法合成了多孔CoON PNS-400纳米片阵列催化剂。氮的成功引入,优化了催化剂的电子结构,改善了催化剂的导电性,调整了催化剂对反应中间产物的吸附自由能。因此,CoONPNS-400展现出优异的OER催化性能,其达到10 mA cm-2电流密度所需要的过电势为0.23 V,Tafel斜率为48 mV dec-1。(3)通过将铁原子成功引入Co(OH)2纳米片阵列,制备了三元无定形CoFe-H纳米阵列催化剂。一方面,铁和钴的协同作用增强了催化剂的OER活性;另一方面,CoFe-H的无定形特性使其暴露出更多的催化活性,进一步改善了催化剂的OER活性。CoFe-H达到10 mAcm-2电流密度所需要的过电势为0.28 V,Tafel斜率为28 mV dec-1。构建了高效半导体-催化光电催化系统:通过调控沉积时间,将厚度为3-7nm的CoFe-H成功耦合到n型半导体BiVO4上,构建了 CoFe-H/BiVO4光电阳极。首先,超薄CoFe-H纳米片具有良好的透光性,不会影响半导体BiVO4对太阳光的利用率;其次,由于温和的制备工艺和CoFe-H的无定形特性,CoFe-H均匀的负载在BiVO4上,形成了保角的核壳结构,构建了高质量的接触界面,从而避免了界面缺陷即载流子复合中心的引入;最后,CoFe-H具有优异的OER催化性能,改善了 BiVO4表面的OER反应动力学,降低了反应过电势。因此,CoFe-H/BiVO4表现出优异的光电催化产氧性能,其在1.23 V(vs.RHE)下的光电流密度为2.48 mAcm-2,启动电压为0.23 V(vs.RHE)。本论文旨在设计和开发高效的过渡金属基纳米片阵列OER催化剂,探究了催化剂电子结构和晶体结构与OER催化性能的关系;构建了具有高质量接触界面的催化剂/半导体光电阳极,提高了光电催化产氧性能。本论文为理性设计高效三元过渡金属基OER催化剂提供了更多可能并开阔了设计高效光电催化分解水体系的思路。