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本论文以结构可控的表面镍物种催化剂在二氧化碳甲烷化反应和可见光催化分解水制氢体系中的应用为研究切入点,基于金属有机框架（MOFs）材料设计并构建了高分散、高活性的非贵金属镍基催化剂。此外,本论文还系统地研究了在CO2甲烷化反应和光催化制氢反应中,表面镍物种的构效关系,取得了以下创新性成果:1.Ni-Ru/γ-Al2O3催化剂表面活性物种的调控与CO2甲烷化性能的研究系统的考察了不同浸渍方法制备的CO2甲烷化催化剂的构效关系。研究发现催化剂10Ni-1.0Ru在共浸渍制备过程中,Ru存在表面偏析现象,使得Ru更加容易还原成金属态,并提供更多的活性物种,使得10Ni-1.0Ru表现出更高的活性与更好的稳定性。此外,基于催化剂的表征,本文提出CO2在催化剂10Ni-1.0Ru表面产生甲烷的机理,CO2在Ru表面活化形成COads和Oads,最终在Ni表面的氢物种与Ru表面碳物种形成甲烷。2.基于MOF-5构建高分散的纳米Ni基催化剂及其催化CO2甲烷化性能的研究利用原位浸渍还原法合成了一系列低温条件下对CO2甲烷化具有高活性的Ni@MOF-5催化剂。此催化剂比传统方法制备的10Ni/SiO2催化剂展示了更高的催化活性。基于BET,TEM和化学吸附表征等技术对催化剂10Ni@MOF-5的结构和状态表征,发现Ni在大比表面积的MOF-5（2961 m2/g）上具有高分散（41.8%）和小尺寸（9nm）特性。催化剂10Ni@MOF-5在320°C时,CO2转化率达到75.09%,CH4选择性为100%。此外,该催化剂也展示了高稳定性与选择性,在100h内几乎没有失活。3.Ni助剂晶面对Ni@MOF-5表面电荷转移行为及其可见光催化制氢性能影响的研究基于金属有机框架MOF的高比表面积特性构建了一系列高分散、小尺寸、高活性的光催化分解水产氢非贵金属催化剂Ni@MOF-5。Ni@MOF-5与贵金属催化剂Pt@MOF-5具有相同的产氢过电位（-0.37V）,但Ni@MOF-5表现出更高的产氢活性、稳定性、荧光寿命和光电流。在430nm波长下,催化剂Ni@MOF-5的最高AQE为16.7%。此外,对Ni@MOF-5催化剂中Ni NPs不同晶面电荷转移行为与光催化产氢性能的研究发现Ni NPs暴露出的（111）晶面相比（200）晶面更利于产氢和电荷转移。4.基于MIL-101构建低氢吸附自由能的Ni-Mo合金簇助催化剂及其可见光催化制氢性能的研究采用DFT和FMO计算分析得到单金属镍簇的氢吸附自由能为537 kJ·mol-1,而合金簇MoNi4具有更低的氢吸附自由能（458kJ·mol-1）。我们通过双溶剂法制备了高活性、高稳定性的光催化分解水产氢非贵金属助催化剂NiMo@MIL-101。在可见光条件下,在EY敏化体系中,通过对比单金属助催化剂（Ni@MIL-101和Mo@MIL-101）产氢活性发现,合金催化剂NiMo@MIL-101展示出最高的产氢活性（2h内产氢总量达到1480.4μmol,pH 7）和高的表观量子效率（75.7%,520nm）。催化剂NiMo@MIL-101也存在最大的光电流、低的产氢过电位（-0.51V）和长的荧光寿命（1.57ns）。正是因为MoNi4纳米合金簇具有低的氢吸附自由能才导致高的光催化产氢活性。