伴随着不可再生能源的不断减少和社会对能源需求的日益增加,人们迫切地需要开发清洁可再生的能源。氢能作为一种新兴的重要的清洁能源载体,具有零污染、高能量密度等特点,在二十一世纪被广泛研究,高纯氢气的制取更受到了广泛关注。目前的氢气生产主要来自于化石燃料的裂解,不仅纯度不高并且伴随着大量温室气体的排放,难以实现国家提出的碳中和的目标。电催化水分解制氢技术因为其操作简单、绿色可持续和低能量损耗的特点而备受关注。因此,开发高效的电催化电极,例如具有高的表面积和催化剂负载量的三维（3D）电极,降低能量损耗是电催化水分解领域的研究热点。和传统的3D电催化电极相比,3D打印的多级多孔碳基电极具有更好的传质性能,可以实现在更高的催化剂负载下保持高的质量活性,是一种新型的先进电催化电极材料。但是,目前基于3D打印多级多孔碳基电极原位生长催化剂的方法较为单一,微观多孔结构与传质性能的关系、电催化电极的传质性能和催化性能的构效关系仍未明确,3D打印多级多孔碳基电极在负载不同催化剂后是否具有普遍性的优势有待验证。为了解决以上问题,本文通过3D打印技术打印出石墨烯/碳纳米管（3DP GC）电极并通过冷冻铸造实现微观孔隙的构筑,分别采用水热法和电化学合成法通过原位生长的方式构建了 3DP GC/NiCoP和3DP GC/Ni-NiO电解水电极,并研究了其微观多孔结构和传质性能、电催化性能之间的构效关系,分析了其作为电催化水分解电极的优势。以下就是本论文的主要内容:（1）NiCoP纳米线通过水热合成的方式实现在3DP GC电极的原位生长。首先,在微观开孔3DP GC和微观闭孔的3DP GC’电极分别负载NiCoP,通过SEM表征发现微观开孔的电极外表面及内部均能有效负载催化剂,而微观闭孔电极只能在外表面负载催化剂。通过析氢性能的测试,发现微观开孔电极在宽pH范围下达到10mAcm-2电流密度需要的过电势（η10）分别为80.2mV（pH=0）和101.3mV（pH=14）,Tafel斜率分别为53.2 mV dec-1（pH=0）和73.0 mV dec-1（pH=14）,催化性能远优于闭孔电极（pH=14:η10为113.4 mV,Tafel为76.3 mVdec-1;pH=0:η10为143 Tafel为81.8mV dec-1）。同时,微观开孔的3DPGC/NiCoP电极也比商业碳纸/NiCoP表现出更优异的析氢性能。将3DPGC/NiCoP在碱性电解液中进行析氧和分别作为阴阳极进行了全解水性能测试,在析氧和全解水电流密度达到10 mA cm-2时分别只需要240 mV的过电势和1.56 V的电压,展示出了高效的电催化性能,而且这一性能优于文献中报道的大部分非贵金属催化剂。多级多孔结构提供了更多的表面积,实现了高负载,孔道设计加快物质传输速率,实现电极催化性能的提升。（2）为了进一步研究传质通量对电极材料生长和催化性能的影响,本章采用在材料生长上更加可控的电化学沉积法,将Ni-NiO纳米片原位负载在3DP GC表面。微观开孔的3DP GC电极具有较高的传质通量,可以有效地将盐离子传输到电极内部,在内外表面上均可以快速得到电子进行Ni-NiO纳米片生长。微观闭孔的3DP GC’电极传质通量较低,盐离子只能在电极外表面得到电子并生长Ni-NiO纳米片。有限元模拟同样表明开孔电极的传质通量远远大于闭孔电极,不仅有利于纳米催化剂的增量有效增加活性位点,并且提高了电解水过程中电解液的传输及气体的脱附。微观开孔的3DP GC/Ni-NiO电极在碱性条件下10 mAcm-2电流密度下析氢需要的过电势仅为34.5mV,析氧需要的过电势为229mV,全解水需要的电压为1.53V,其性能优于泡沫镍/Ni-NiO电极、商业化的Pt/C-RuO2以及文献中报道的大部分催化剂。本论文深入探讨了 3D打印多级多孔碳基电极微观结构对材料生长和电解水性能的影响,揭示了多级多孔结构与传质性能及催化性能的构效关系,拓宽了 3D打印多级多孔碳基电极在电催化水分解领域的应用。本论文的研究有望丰富3D打印多级多孔电催化电极的制备方法,拓宽其在电催化相关领域的认知和理解,推动高效稳定电催化水分解电极的发展。