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电催化水分解制氢技术由于工艺简单、氢气产品纯度高等特点成为了一种有潜力的可连续制氢方式,同时也是一种有效的电能存储方式。然而,电极反应由于具有高的过电势,致使能源转化效率较低,从而限制了电催化水分解制氢技术的大规模商业应用。使用高性能的水分解催化剂能够降低水分解反应的过电势,进而提高能源转化效率。尽管贵金属Ru、Ir和Pt基催化剂已经表现出了良好的水分解活性,但是它们的储量少和价格昂贵的缺点限制了该制氢技术的实际应用。基于以上考虑,本论文主要通过构筑合理的结构去优化镍基催化剂的活性位、导电性、稳定性和亲液疏气特性,从而提高催化剂的水分解性能,并揭示了催化剂的结构和组成对水分解性能的影响。本论文合理地设计并制备了四种高性能的镍基水分解催化剂,主要的研究结果如下:以水相还原法制备的碳纳米管负载小尺寸的金属间化合物Ni3Sn2纳米颗粒为前驱体,通过原位电化学氧化选择性刻蚀Ni3Sn2纳米颗粒表面的Sn,制备了小尺寸的、富含表面缺陷的析氧催化剂(Ni3Sn2@NiOxHy/CNT)。相比不含Sn的Ni纳米颗粒,Ni3Sn2@NiOxHy纳米颗粒的大量表面缺陷能够暴露更多的活性位和增强催化剂的本征活性。另外,纳米颗粒的小尺寸和碳纳米管的高导电性也能促进催化剂活性提高。因此,Ni3Sn2@NiOxHy/CNT仅需250 mV的过电势就能获得10 mA cm-2的析氧电流密度。通过化学气相沉积法在碳布表面直接生长了具有三维结构的包覆Ni/MoN异质结构纳米颗粒的掺氮碳纳米管(Ni/MoN@NCNT/CC)。Ni与MoN通过复合构成异质结构能够暴露丰富的活性位和增强催化剂的本征活性。另外,具有优异导电性和良好机械稳定性的碳纳米管提高了水分解反应中催化剂的电子传输能力和稳定性,并且碳纳米管在碳布表面构成的三维结构有利于活性位的暴露和气泡逸出以及与电解液的接触。因此,Ni/MoN@NCNT/CC在析氧、析氢和全水分解反应中分别需要252、207 mV的过电势和1.699 V的槽电压获得10 mA cm-2的电流密度,并且它的过电势能够在100 mA cm-2的高析氢电流密度下稳定100小时。采用水热法在超亲水碳布表面负载了具有分级结构的CoNi2S4@NiMn LDH异质结构纳米阵列(CoNi2S4@NiMn LDH/SCC)。CoNi2S4和NiMn LDH通过耦合构建异质结构不仅结合各自的高活性而使复合物具有双功能特性,还通过界面效应提高了催化剂的本征活性。另外,高导电性的CoNi2S4核材料弥补了 NiMn LDH的低导电性而提高NiMn LDH的导电性。与此同时,具有高析氧稳定性的NiMn LDH壳材料能够作为保护层提高催化剂在阳极电压下的稳定性。此外,碳布载体的超亲水特性有利于催化剂的生长和与电解液的接触。因此,CoNi2S4@NiMn LDH/SCC在析氧、析氢和全水分解反应中分别需要269、184mV的过电势和1.691 V的槽电压获得100 mA cm-2的电流密度,并且在100 mA cm-2的高析氧电流密度下能稳定运行12小时。利用水热和磷化处理的方法在泡沫镍表面生长了具有三维异质结构的NiCoP@NiMn LDH 阵列(NiCoP@NiMn LDH/NF)。NiCoP 与 NiMn LDH 通过耦合形成的异质结构复合物不仅结合了单组分的高活性而使催化剂具有双功能特性,而且通过界面效应提高了催化剂的本征活性。另外,NiCoP核材料作为催化剂的快速电子传输通道,增强了催化剂的导电性。此外,三维阵列结构的催化剂负载在网状结构的泡沫镍表面有利于活性位的暴露和气泡逸出以及与电解液的接触。因此,NiCoP@NiMn LDH/NF在析氧、析氢和全水分解反应中分别需要293、116 mV的过电势和1.642 V的槽电压获得100 mA cm-2的电流密度,并且在100 mA cm-2的全水分解电流密度下能够稳定运行50小时。