化石能源过度消费带来的资源短缺以及碳排放引起人类对清洁可再生能源的关注和旺盛需求。由于具有高能量密度和零污染,氢气被认为是理想的燃料,电解水是可持续产氢的方法之一,其过程包括析氢和析氧两个半反应。高活性催化剂在这两个半反应中发挥关键作用,但是,传统的贵金属基催化剂成本高昂、资源稀缺且稳定性不佳,不利于工业规模电解水产氢。开发高效和低成本催化剂是解决问题的突破口。过渡金属-碳基体复合材料接触界面两侧电荷不对称分配可有效调节各组分的电子结构并形成亲核、亲电微区,可有效促进反应物在其表面的吸附及电荷迁移,有望明显提升电解水双功能催化活性。本文以优化复合物电解水双功能催化性能作为切入点,设计合成了不同类型的异质结复合物,探讨了其界面作用以及电解水催化性能。具体研究内容概括如下:1、鉴于碳材料的高导电性、耐腐蚀性和镍铁合金的高催化活性,基于这两种组分的异质结复合物可通过界面电荷分配提高其催化活性和双功能特性。本章采取以乙二胺四乙酸与镍铁离子形成的螯合物作为前驱体,经热解处理合成了N掺杂碳包覆镍铁合金纳米粒子核壳结构复合物（NixFey@NC）,并研究了其在碱性电解液中作为电解水反应双功能催化剂的性能。数据显示,Ni2Fe@NC材料表现出了优于Ru O2的OER催化活性和略逊于Pt/C的HER催化活性,在响应电流密度为10 m A cm-2时,OER和HER过电位分别为237和198 m V,材料的稳定性同样十分良好,在经过长达24 h的稳定性测试后没有明显的性能衰减。2、将具有不同功函数的单功能OER和HER催化剂相结合,在费米能级差的驱动下异质结面上的两组分之间会发生电荷不对称分配,这可能会导致各组分的催化活性得到增强。基于以上设想,本章采取高温热解甲硫氨酸与镍铁盐螯合物前驱体获得了N,S共掺杂碳包覆硫化镍铁纳米粒子核壳结构材料（NixFeyS@NSC）,并系统研究了其电催化活性与结构组成之间的关系,数据证实,电子从硫化镍铁内核流向氮硫共掺杂碳壳层,能明显提升Ni、Fe元素氧化值,有助于OH-的吸附及界面电荷迁移,从而提高其OER催化活性,同时NSC的富电子特性也有助于HER。电化学数据表明,相较于NSC和NiFe S,复合材料拥有更加优秀的催化活性,在电流密度为10 m A cm-2时,OER和HER过电位分别为235和215 m V,对称全电解水装置在较高的驱动电压下拥有超过贵金属基催化剂器件的电流密度。3、热解金属有机框架前驱体制备过渡金属-碳基复合材料的传统合成方法存在步骤繁琐、产率较低、有机溶剂污染环境等缺点。本章以优化过渡金属与碳基复合材料的合成路径为出发点,设计开发了一种普适、低成本、高产率的合成方法。将自然界中广泛存在的青竹生物质在镍铁盐溶液中浸泡烘干后热解制得了一系列氮掺杂碳包覆铁、钴、镍金属单质及其合金核壳结构材料（Fe,Co,Ni@NC）,并测试了其在碱性电解质中电解水双功能催化活性。其中,NiFe@NC材料表现出了较高OER和HER催化性能,在10m A cm-2的电流密度下,OER和HER过电位分别为257和183 m V,以NiFe@NC材料为电极的对称全解水器件仅需要1.75 V的操作电压即可达到10 m A cm-2的电流密度,显示出良好电解水双功能催化性能。