当今社会经济快速发展,带来传统化石能源的大量使用,从而带来一系列的环境问题,如大气污染、温室效应等,同时自然资源的日益匮乏会引发严重的能源危机。因此,开发具有前景的环境友好的清洁可持续能源技术受到了研究者的广泛关注。电催化水分解制氢反应（HER）被认为是理想的,能够替代化石能源简单有效的制氢方式。然而,水分解的另一半重要的反应氧气析出反应（OER）是动力学速率缓慢的四电子多步骤过程。故而开发OER高效催化剂是研究电催化水分解中的重要研究领域。商业的水分解催化剂大多是由Pt、IrO₂、RuO₂等贵金属组成,但是工业生产中贵金属的成本高昂,地球上储量过低并且电催化性能不够稳定,开发廉价高效的电催化水分解催化剂成为当下研究的热点。本文以设计合成Fe/Co/Ni过渡金属基纳米材料催化水分解为目标,合成了石墨烯负载的铁钴磷酸盐（rGO@CF:Pi）,石墨烯负载的铁掺杂磷化镍（rGO@Fe-Ni₂P）应用于电催化OER中;合成了三维导电碳纸支撑的碱式碳酸钴纳米线负载超小钌纳米颗粒（CF@Ru-CoCH）应用于碱性HER中,具体内容包括:（1）通过水热-磷酸化两步法首次制备了rGO@CF:Pi无定形纳米环,并利用SEM、TEM、XPS、FTIR、Raman和EXAFS等进行表征。无定形材料相比于结晶性好的材料有着独特的无序结构,这种结构有着较多的不饱和原子作为活性吸附位点,能够提高OER活性。另外,材料的纳米环中空结构能够暴露更多的电化学活性表面积,增加活性位点,促进物质传输。此外,磷酸根在OER过程中作为质子接受体参与质子对电子转换（PCET）,促进中心原子价态升高,能够进一步提高OER催化活性。在机理研究中,我们发现在CF:Pi中有着一种“M₄O₄”金属氧（M-O）桥连的立方烷结构,这种结构被认为是活性位点促进OER活性。在碱性介质中,仅需要300 mV就可以产生10 mA cm^–2的电流密度,Tafel斜率为36 mV dec^–1,远优于商业IrO₂催化剂。（2）通过水热-磷化的方法将Fe掺入到Ni₂P晶格内制备出Fe-Ni₂P纳米颗粒负载到石墨烯上,通过调节铁的含量,使得Ni₂P的OER性能达到最优。Ni₂P中的P对OER中相比于氧化物能够大幅度提高转换频率（TOF）,而引入Fe原子能够调控中心原子Ni的电子结构,提高材料的本征性能,从而提高OER活性。在碱性介质中,该催化剂在电流密度10 mA cm^–2下的过电位仅为260 mV,Tafel斜率为35 mV dec^–1,其催化活性远优于商业IrO₂催化剂。（3）以三维碳纸作为导电基底,通过水热将碱式碳酸钴纳米线负载到三维碳纸上（CF@CoCH）,再通过简单易行的电沉积技术将超小钌纳米颗粒负载到碱式碳酸钴纳米线上（CF@Ru-CoCH）,这种异质结构存在大量的Ru/CoCH界面,贵金属Ru负载碱式碳酸钴的材料在碱性HER过程中起到了协同催化的作用,水分子在CoCH上吸附并解离成氢吸附物种（H*）和OH^–,H*转移到邻近的Ru上再吸附一分子水通过Heyrovsky步骤形成H₂,表现出优异的碱性HER性能。过电位为66 mV和121 mV时,电流密度能够达到–10 mA cm^–2和–100 mA cm^–2,Tafel斜率65 mV dec^–1,其催化性能仅次于商业Pt催化剂。