目前为止,世界各国的能源供应仍以化石燃料为主,而化石燃料的燃烧带来了诸多环境问题。因此急需开发研究新能源来改变这一现状。电催化可将地球上含量丰富的水转化为用途广泛的氢气（H2）和氧气（O2）,通过这种方法可以解决很多工业及环境问题。水的裂解由析氧反应（OER）和析氢反应（HER）组成,在这两个半反应进行的过程中存在着各种热力学和动力学阻碍。铂（Pt）被认为是最具HER活性的催化剂,而铱（Ir）、钌（Ru）及其氧化物则表现出优异的OER活性。贵金属在地球上的储量少、成本高,使用廉价易得的过渡金属来替代贵金属具有重要意义。一般的异相催化反应都在催化剂的表面进行,d带中心理论解释了电子结构与催化活性之间的关系。d带中心与费米能级越接近,催化剂对吸附物种的吸附能越强,反之亦然。d带中心只有处于合适位置时,催化剂才能显示出最佳的催化活性。Nb是VB族中至关重要的过渡金属,它可以形成具有多种化合价不同的物质。由于其复杂的化学特性及能与许多元素反应生成新化合物的能力,Nb在许多催化剂中可作为主要成分和重要的促进剂。Nb从两个方面来增强催化剂的活性:一方面,它能与主相元素结合形成新物质,使电子结构发生改变;另一方面,Nb还可以促进活性相中元素之间的连接。本论文基于Nb的以上特性使用Nb来调控Co、Ni的d带中心以制备高活性催化剂。运用密度泛函理论（DFT）计算结果来解释实验现象,系统地探讨了制备条件、形貌、物相成分等对催化性能的影响。常见过渡金属的研究已经开展多年,有必要去探讨一些不常用且性质独特的元素。这项工作为探索其他不常用元素在催化剂中的应用提供了参考依据。1.Nb掺杂Co4N层状多孔纳米片用于电催化全解水。通过水热反应和高温气相氮化在泡沫镍（NF）上合成了Nb掺杂的Co4N纳米片（Nb-Co4N/NF）用于电催化全解水并优化了反应条件（如掺杂量、水热时间及氮化条件）。实验结果和DFT计算表明,Nb掺入过后Co4N的电子结构和微观形貌均发生了明显变化。在电子结构方面,Co4N的d带中心向下移动,这有助于促进中间产物（H*）的解吸,从而提高了Co4N的HER性能。同时,由于Co被Nb取代使得Co4N的表面产生更多有利于OER进行的Co3+活性位点。对于微观形貌,Co4N纳米线在掺入Nb后转变为层状多孔纳米片,使得更多的催化活性位点被暴露出来。2.界面氧空位促进Nb2O5-Ni3N异质结构的电催化析氢反应活性。第一步水热过程以NF作为镍源和基底合成Nb2O5-NiC2O4/NF前驱体,再将其置于管式炉中进行高温氮化制备了上下层结构的Nb2O5-Ni3N/NF异质结构（Nb2O5在上层,Ni3N在下层）。同时优化了水热反应时间、Nb2O5的负载量及氮化温度。实验结果表明,由于Nb5+带有较多正电荷,电子会从Ni3N通过Ni-O-Nb键转移到Nb2O5。Ni和Nb之间的电子相互作用改变了这两个原子的配位数,导致界面处产生较多氧空位（Ov）,从而提升了Ni3N的HER性能。使用DFT理论计算来解释实验结果,就反应热力学而言,Nb2O5不仅可以优化Ni3N的d带中心位置,以促进H*的解吸,还可以为反应物（H2O）提供大量的吸附位点,提升了HER发生的可能性和程度。在反应动力学方面,在Nb2O5的作用下Ni3N的电导率有所提升,从而加速了HER过程中电子的传输速率。此外,Nb2O5还使Ni3N的HER机理从Volmer-Heyrovsky-Tafel变为反应速度更快的Volmer-Heyrovsky机理。本工作为基于界面和缺陷工程的高效电催化剂的合理设计提供了参考。3.模板牺牲法制备NiC2O4/无定型Nb2O5复合材料及其在电催化全解水中的应用。通过两步简单步骤合成了催化剂,第一步以泡沫作为镍源和基底合成Ni3S2/NF纳米片,第二步加入H2C2O4和NbCl5,在反应过程中C2O42-和S2-进行离子交换,最终制备出以Ni3S2为牺牲模板的草酸镍和无定型Nb2O5复合材料（SNiC2O4-a Nb2O5/NF）。本工作还探讨了水热反应时间、NbCl5的加入量和温度对催化剂性能的影响。以Ni3S2为牺牲模板的目的是为了制备尺寸较小且均一的NiC2O4晶体。实验结果发现在SNiC2O4-a Nb2O5复合材料中电子会从SNiC2O4转移到Nb2O5,使得Ni原子周围的电子云密度发生变化,电子结构得到调节,进一步论证了体系二的结论。使用SEM、TEM、XRD和XPS等表征手段分析材料的形貌、物相和组分,用电化学工作站探究其析氢和析氧的电化学行为。