随着能源需求的不断增长、不可再生化石燃料的快速消耗,以及人们对环境问题的日益关注,开发绿色、可持续的能源迫在眉睫。氢由于其高燃烧热和高能量容量而被认为是一种理想的清洁能源。电催化水分解作为一种先进的能源转化技术,由于其具有较高的能量转化效率和较高的能量利用率以及环境友好而备受关注,被认为是产生氢能的最有效方法之一。但是由于析氧反应电化学迟滞的四电子转移机理,其往往需要过高的过电位实现水分解,极大限制了水电解制氢工业应用的发展。因此,虽然阴极反应是析氢反应,但是制备优异的析氧反应或尿素氧化反应电催化剂对降低全解水的过电位和增加产氢量是非常重要的。本论文通过异质元素掺杂优化了铁系电催化剂的电催化性能,具体研究内容如下:1.通过简单的一步水热硫化法,在泡沫镍上原位合成了Ni（OH）₂纳米片/F掺杂的Ni₃S₂纳米棒双功能电催化剂,其中氟掺杂在电催化剂中表现出双重效应。一方面,氟掺杂可以促进异质结构的形成,这种独特的异质结构能够暴露出丰富的活性位点和高活性的异质界面;另一方面,氟的均匀掺入能有效地调节Ni₂S₃的电子结构,增加其费米能级的电子密度,有助于提高导电性和电荷转移效率,进一步提高析氧反应和尿素氧化反应的电催化活性。制备的电催化剂在析氧反应中仅需要360 mV的过电位就可以达到100 mA·cm^-2的电流密度,而在尿素氧化反应中展现出了322.9 mA·cm^-2的峰值电流,展示出了优异的析氧和尿素氧化双功能催化活性。2.通过电化学沉积和水热法在碳布上成功制备了Fe掺杂的Ni（OH）₂混合相析氧反应电催化剂。其中铁掺杂一方面可以诱导部分β-Ni（OH）₂转化为α-Ni（OH）₂,促进了Ni（OH）₂混合相的产生;另一方面可以调节Ni（OH）₂的电子结构,同时促进了高催化活性Ni³⁺的生成。由于铁的引入和Ni（OH）₂混合相多层片状结构的作用,提高了导电性和电荷转移效率,暴露了更多的活性位点,从而使析氧反应电催化活性得到了有效提升。制备的Fe掺杂Ni（OH）₂混合相电催化剂展现出了优异的催化活性,其中包括低的过电位、高的电流密度和优异的稳定性,可与报道的析氧反应催化剂相媲美,为析氧反应水氧化实现能量转换提供了可能。3.水电解产氢被认为是开发可再生能源并缓解能源和环境危机的可行策略。与水电解相比,尿素的引入不仅可以提高尿素电解的能量转化效率,而且使该工艺适用于污水处理中。本研究通过在碳布上合成了一种新型的镍掺杂的Co₉S₈纳米片电催化剂用于电催化尿素分解。由于镍的引入,提高了Co₉S₈的导电率和电荷转移效率。其独特的纳米片结构暴露了更多的活性位点,从而促进了尿素水溶液的全分解。制备的镍掺杂的Co₉S₈电催化剂表现出了优异的析氢和尿素氧化催化活性。对于析氢反应,仅需0.296 V vs.RHE就可以达到100 mA·cm^-2的电流密度;对于尿素氧化反应,该电催化剂只需1.28 V vs.RHE的电压即可达到10 mA·cm^-2的电流密度,可以与报道的尿素氧化反应或析氧反应电催化剂相媲美。基于上述优异的电催化性能,使该电催化剂在尿素水溶液的全分解反应中仅需1.52 V的电压即可达到10 mA·cm^-2的电流密度。