如今,随着化石燃料和自然资源的消耗,能源危机和环境恶化这两大问题越来越严重,因此人们越来越关注可持续性和环境友好型能源的发展。氢能作为一种清洁和可再生的能源,由于其具有高的重力能量密度,零排放,地球丰度和生态友好性而引起了越来越多的关注。目前,电化学水分解,作为一种基于非化石燃料的技术,因其高能量转换效率而引起了越来越多的关注,并激发了为生产低成本和高纯度氢而进行的深入研究。贵金属电催化剂,仍然是最好的HER催化剂,具有几乎为零的过电势,并具有出色的长期耐久性。然而,这种贵重材料成本非常高昂,并且缺乏长期运行的稳定性和/或不受燃料氧化分子的影响,从而阻碍了它们的大规模应用和商业化。对于设计使用和生产高效且具有成本效益的非贵重金属的HER和OER电催化剂来代替传统的贵金属催化剂具有重要意义。最近,非贵金属材料,例如过渡金属碳化物(氮化物),二硫化合物,磷化物,金属合金和杂原子掺杂的碳纳米结构作为HER和OER催化剂的潜在候选物。过渡金属碳化物和氮化物因其出色的比表面积和表面物理化学性能而成为有前景的电催化剂材料。并且因为其独特的金属-C键和接近费米能级的贵金属类似的d-态密度引起了人们的广泛关注。此外,金属-N活性中心由于具有类似Pt金属的电子结构和增强的电子传导性,因此可以有效地提高电催化性能。掺入过渡金属和掺入贵金属,理论计算证明可以有效地调节纳米材料的表面电子结构和碳与金属之间的耦合,从而带来较低的氢及相关电化学中间产物的吸附能,以达到降低电催化剂的过电压的效果。值得特别注意的是,通过将氮掺杂到碳层中,所得的N掺杂碳(NC)明显呈现出优化增强的电子结构。不同类型的氮掺杂形式,也会对电化学反应及催化反应产生各种影响。因此,我们合成了一系列基于过渡金属/碳基复合材料的电催化剂,并研究了其在不同环境中的电催化性能。主要实验内容如下:1.采用简便的原位水热合成方法,通过对WOx/苯胺杂化纳米粒子的直接高温退火,合成了包覆于氮掺杂碳基体中的超细WN-W2C纳米晶。并且WN-W2C纳米晶被完全包覆在氮掺杂的碳壳当中,可以有效防止超细纳米晶在催化过程中纳米晶的聚集以及防止复合材料在酸碱电解液被腐蚀的情况的出现。通过控制高温退火的升温速率,我们合成了不同氮掺杂量的WN-W2C纳米电催化剂。电化学测量结果表明,氮含量最高的WN-W2C-2R纳米复合材料在0.5 M H2SO4电解液中的HER活性最佳,过电位为仅为242 mV可以达到10 mA cm-2的电流密度,表现出了良好的电化学析氢性能。通过耐久性和长时间的循环稳定性试验表明,该催化剂在5000次循环和10小时的长时间稳定性测试后具有良好的稳定性和催化性能。这一发现为合成高性能、廉价和耐用的酸性介质制氢催化剂提供了新的思路。2.氮掺杂石墨烯层包覆在PdNiCo合金周围,一方面能够促进合金内核电子向石墨烯碳转移促进催化性能,另一方面能够保护金属内核不受酸碱腐蚀以提升循环稳定性。电化学测试表明,具有最高氮掺杂量的S-4表现出最佳的HER活性,电流密度为10 mA cm-2时其过电位仅为42 mV,几乎接近于20 wt%Pt/C催化剂的电催化性能。多达并且在经过10000次的长时间循环稳定性测试后,其电催化性能并未发生明显衰减,因此可以成为HER中Pt基电催化剂的便宜替代品。氮掺杂可增加H*吸附位点,适量的贵金属Pd掺杂能够优化合金电子结构,PdNiCo合金核比纯Co金属核能向石墨烯壳转移更多的电子,增强C-H键,极大降低了位于活性位点的活性氢质子的吸附自由能,从而进一步增强了催化剂的催化活性。3.采用简单水热法用于合成类似于海胆状的钴掺杂的MoS2纳米片结构。通过加入不同量的Co源,我们合成了一系列不同掺杂比例的MoS2纳米材料。将其作为电催化剂应用于三电极测试系统中,该催化剂在酸性和碱性介质中均表现出析氢和析氧的双功能活性。MoS2中的痕量Co掺杂可以有效地调节其电子结构,从而改善MoS2的HER活性,同时为OER贡献额外的催化活性位,从而在酸性和碱性介质中表现出良好的的全水分解的双功能性。这种双功能的Co掺杂的MoS2对于整个水分解应用将非常有意义。在碳布基体上用海胆状掺钴的MoS2纳米颗粒通过沉积的方式自组装形成柔性膜,将其应用于两个电极的水分解,结果表明其良好的催化活性和优异的材料稳定性,证明其广泛的实际应用前景。