随着环境问题的不断突出和化石能源的减少,开发清洁、高效、可持续的新型能源以满足日益增长的能源需求已成为当下研究的热点之一。与大多数碳氢化合物相比,氢气（H₂）是一种具有高能量密度的能量载体,且在燃烧期间可以实现零碳排放。因此被认为是最具潜力的新型能源之一。与其他制氢工艺相比,电解水制氢可以直接将电能转化为化学能,被认为是获得氢气的有效途径之一。电解水可以分为两个半反应,阴极氢气析出反应（HER）和阳极氧气析出反应（OER）。其中,OER是四电子转移过程,需要较高的过电位,是一个动力学缓慢的过程。因此需要开发活性好、成本低、稳定性高的催化剂以降低OER的过电位,提高转换效率。目前最高效的析氧催化剂是RuO₂贵金属,但成本高、储量稀少以及稳定性差限制了它们在工业上的大规模应用。而价格低廉,储量丰富的过渡金属催化剂,特别是含Fe,Co,Ni基的析氧催化剂,具有多变的电子态、丰富的种类,可调控的结构,以及良好的催化活性和稳定性,被视为具有发展前景的新型催化剂材料。本论文主要针对铁（钴、镍）基过渡金属催化剂,从材料形貌、结构设计和性能优化方面展开了课题研究。针对金属纳米颗粒比表面积较小,暴露的有效活性位点少,以及在高电位下容易发生团聚、溶解导致催化剂稳定性变差等问题。本项工作通过调控形貌及组成,改善活性两个方面来提高金属纳米颗粒的电子传输效率和活性位点数目。首先,以SiO₂纳米小球为大孔模板、多巴胺（PDA）为氮碳源、不同浓度比例的Fe³⁺,Ni²⁺为金属源、然后通过原位吸附、聚合金属离子和PDA、高温焙烧、NaOH刻蚀等步骤,合成铁镍合金纳米颗粒镶嵌的多级孔氮掺杂碳催化剂Fe_0.64Ni_0.36@NC。形貌表征显示,二氧化硅小球直径约为300 nm,且尺寸分布窄。以该小球为模板制备的NC材料具有均匀分散的大孔,有利于快速传质。结构组成分析表明,电极材料Fe_0.64Ni_0.36合金颗粒与Fe单质镶嵌在碳氮化物层中,互相影响,具有协同效应,可以共同促进电催化活性。碱性介质中的析氧反应测试表明,合金催化剂达到电流密度10 mA·cm^-2时过电位仅为286 mV,显著低于RuO₂催化剂;同时经过2000圈循环伏安老化后活性无衰减,持续电解30 h后电极输出保持稳定,表现出了优异的催化活性和稳定性。所制备的合金催化剂具有以下几个方面结构优势:（1）铁镍合金以及单质铁纳米颗粒镶嵌于大孔碳的薄层孔壁中,有利于暴露活性位点;（2）空心纳米球形结构能够为氧气的析出提供通道,进一步增大比表面积,有利于促进电子转移;（3）Fe_0.64Ni_0.36合金颗粒与Fe单质的协同效应,提高了电催化活性;（4）石墨化氮碳层对合金纳米颗粒的保护提高了材料抗腐蚀性,进而提升其稳定性。由于层间范德华力作用,过渡金属硫化物容易出现堆叠、团聚等问题,使活性位点数目减少,影响有效活性位点的暴露;此外,过渡金属硫化物的导电性较差,严重影响电荷转移过程,制约其析氧活性进一步提升。本项工作通过制备异质界面结构来改善电极材料活性位点暴露少的问题,同时在具有优良导电性的泡沫镍基底上直接生长FeCo₂O₄-FeCo₂S₄/NF异质结构催化剂,改善电子传输能力,进而提高析氧活性。首先,通过水热法合成Fe-Co双金属氧化物前驱体,通过控制不同的硫化时间,成功制得FeCo₂O₄-FeCo₂S₄异质结构催化剂和完全硫化的FeCo₂S₄催化剂。对比研究发现,不同的硫化程度可以改变产物的组成,影响催化活性。经过适度硫化得到FeCo₂O₄-FeCo₂S₄/NF异质结构催化剂,形貌表征显示整个电极表面非常粗糙,有大量的纳米线阵列包覆在纳米片表面,同时,纳米线呈伸展状,显著增大了电极的比表面积,有利于传质和析氧活性的提高。电化学测试表明,FeCo₂O₄-FeCo₂S₄/NF异质结构催化剂在50 mA·cm^-2的电流密度时,需要的过电位为232 mV,随着电流密度的增加,仅需247 mV即可达到在100mA·cm^-2的电流密度。经过40小时持续电解后,电极输出保持稳定且电极材料的形状基本无变化,表现出了优异的析氧活性和稳定性。所制备的FeCo₂O₄-FeCo₂S₄/NF异质结构催化剂具有优异的析氧活性和稳定性可归功于:（1）催化剂由FeCo₂O₄和FeCo₂S₄组成,它们之间紧密结合,相互作用,创造出了一个特殊的活性界面区域,能够与电解液较大范围地接触,进而促进活性位点的有效暴露,提高了析氧活性;（2）将具有活性的催化层负载到3D多孔的泡沫镍上形成一体化电极材料,可以确保立体纳米结构的均匀生长,不易脱落,更好地发挥电极材料的结构优势和稳定性。