氢能是一种洁净、高效的二次能源,因其来源广泛、能量密度高和绿色无污染等优点成为理想的能源替代方式。电解水制氢技术实现了电能和化学能之间的转换,是最为理想的绿色无污染的制氢技术。水分解可分为两个半反应:析氢反应(HER)和析氧反应(OER),这两个半反应对于全解水的效率都至关重要。发展经济有效、高活性和高稳定性的HER和OER电催化剂来增加电解水反应速率和降低析氢析氧过电位是整个电解水发展的关键。目前高效的OER电催化剂(Ru02和IrO2)和HER电催化材料(Pt、Ru和Rh等)依然是贵金属,但高昂的价格和稀有性限制了它们的广泛应用。对于析氧反应来说,金属Co及其合金在碱性介质中具有较低的过电位,成本低、易制备,并在阳极极化条件下抗腐蚀性强。OER过程中产生的高价钴氧化物CoOOH是催化析氧反应的活性位点,因此可作为理想的OER催化剂。对于析氢反应来说,过渡金属尤其是金属Co具有合适的氢吸附能,Co基氧化物或氢氧化物都能够很好地促进水的解离,因此钴基材料是具有极大应用前景的HER电催化剂。但是这些催化剂的活性和稳定性与贵金属相比仍有较大的差距,因此需要对材料进行适当的改性以提高催化剂的活性和稳定性。析氧反应是四电子转移的氧化反应,动力学缓慢,是水分解的瓶颈。本论文第三章节用简单的化学镀方法合成了 Co-Ni-B@NF催化剂,Ni元素的引入改变了 Co-B复合材料的电子结构,增强了电荷转移,XPS的结果也表明电子从B转移到了金属Co和Ni。在 OER 过程中 Co-Ni-B@NF 催化剂形成了 Co-Ni-B(core)/Co(Ni)OxHy(shell)结构,金属核有助于电子传输而氧化物壳可以提供活性位点,从而提高催化剂的电催化活性,XPS结果也检测到了 CoOOH/NiOOH的存在。此外,Co-Ni-B@NF催化剂可以作为双功能电催化剂催化OER、HER和全解水反应,都表现出优异的电化学活性和稳定性。高效的水分解反应不仅要提高OER的反应效率,还需要优化HER的反应速率。对于Co基非贵金属催化剂来说,在碱性环境中催化剂表面生成的Co(OH)2纳米片能够促进水的解离,但过量生长时会影响催化剂的导电性,进而影响催化剂的活性和稳定性。本论文第四章节合成了碳包覆的Co-Mo-O纳米材料,催化剂沿一定方向生长为成束的长方体结构,自组装成三维纳米结构。在催化剂表面通过包覆碳层提供一种简单有效的方法来缓和Co(OH)2纳米片的生长,同时提高了材料的导电性,进而提高催化剂的HER活性和稳定性。第一性原理的计算结果清楚表明催化剂HER活化过程中产生的Co(OH)2与Co3Mo协同组成了 HER的催化活性位点,其中Co(OH)2可以促进水的解离形成活性Had物种,邻近的Co3Mo可以促进Had吸附和重组,这两部分的协同作用提高了催化剂在碱性电解液中的HER活性。Co-Mo-O@C/NF催化剂在碱性环境中表现出优异的HER电化学活性和出色的耐久性。此外,Co-Mo-O@C/NF催化剂也可作为双功能催化剂,对OER和全解水体系都表现出很好的活性和耐久性。尽管非贵金属催化剂在近几年发展非常迅速,但对于HER和OER来说,具有最优活性的催化剂仍然是贵金属催化剂。本论文第五章节用简单的强静电吸附法(SEA)制得了高分散的Pt@CoO/NF催化剂。Pt在CoO表面的高度分散暴露了更多的活性位点,提高了 Pt的利用率;Pt的氢溢流效应表明Pt与CoO基底良好界面接触导致导电性的增强,有利于电子传输;Pt和CoO组成的协同催化剂与Pt相比在碱性电解质中表现出更高的本征活性,其中,CoO能够促进水的解离,而Pt有助于活性Had的吸附和重组。这几方面的共同促进作用使得Pt@CoO/NF催化剂在碱性环境中表现出优异的HER电化学活性和出色的耐久性。随后又用SEA法合成了高分散的Ir02@CoOOH/NF催化剂,催化剂具备非常高的OER活性和稳定性。将Ir02@CoOOH/NF和Pt@CoO/NF催化剂组装为全解水碱性电解池,该电解池在电压为1.637 V时电流密度达到10mA·cm-2,同时也表现出了良好的稳定性。