能源危机和环境污染是当今社会面临的两大难题,开发先进催化材料实现可再生能源的高效利用和转化,是解决能源环境问题的重要途径之一。半导体光催化可实现水分解制氢（H2）,但多数光催化剂只吸收有限的可见光,影响了光催化技术的实用化,有必要开发宽光谱复合催化剂。同时,将具有不连续特性的太阳能转化为可存储的电能,然后电催化分解水产H2,即可实现太阳能的高效利用。目前工业用Pt、Ir等贵金属电催化剂因其资源稀缺、价格昂贵而难以广泛应用。基于此,本论文以设计开发低成本、高效催化剂为目标,用于研究氢能源催化转换应用,具体涉及到g-C3N4纳米复合材料光催化产氢、钌基催化剂电催化水分解、钼酸基催化剂电催化产氧等,聚焦于催化剂的微观结构和表面缺陷调控以及氢能催化应用及相关机制研究。具体研究内容如下:（1）具有类似树叶结构SiO2/g-C3N4纳米光催化剂的制备与光催化产氢性能研究。以三聚氰胺和PEI@SiO2为前驱体,经过一步热聚合法,在g-C3N4纳米片的表面及内部引入一维（1D）SiO2纳米结构,制备出具有类似树叶结构的SiO2/g-C3N4复合材料,增强了材料对可见光的吸收和散射;同时,复合结构增加了比表面积和光催化反应活性位点,提升了其光催化产氢性能。时域有限差分模拟（FDTD）分析表明,SiO2纳米结构的引入可以诱导更多的散射光且增加了光的通路,进而提高光捕获效率。（2）自支撑钌基电催化剂结构调控与水分解性能研究。采用丙三醇辅助溶剂热和水热法,在导电基底碳布（Carbon cloth,CC）上分别原位合成含有非晶/晶体混合Ru纳米颗粒结构的Ru-G/CC和只含有非晶Ru结构的Ru-H2O/CC自支撑电极。非晶/晶体Ru纳米颗粒结构优化了Ru在C上的电子结构和化学环境,在碱性条件下,电流密度为10 mA cm-2时的电催化析氢的过电位为40 mV vs.RHE;在恒定40 mV vs.RHE电压下,电催化性能可以持续稳定超过100 h;该催化活性和稳定性均超过商用20 wt.%Pt/C(44 mV vs.RHE@10 mA cm-2)。低温热处理水热样品Ru-H2O/CC,获得了表面富含O空位的Ru-H2O/CC-350析氧自支撑电极,具有Ru/RuO2异质结构;在碱性条件下,电流密度为10 mA cm-2时的电催化析氧过电位为270 mV vs.RHE;在恒定270 mV vs.RHE的电压下,电流密度可持续稳定超过100 h,其活性和稳定性均超过商用RuO2(360 mV vs.RHE@10 mA cm-2)。（3）自支撑Co2P/Ni MoO4/NF复合电极的构筑及电催化性能研究。首先,采用水热法在泡沫镍（NF）基底上原位合成Ni MoO4棒状材料;然后,通过恒电流沉积法在Ni MoO4表面电沉积Co2P,构筑Co2P/Ni MoO4异质结构,促进界面电子的有效传输。所得到的Co2P/Ni MoO4/NF三维结构可以促进电荷在径向的转移,并暴露更多的反应活性位点,加速气体脱附,从而在碱性条件和含尿素的溶液中表现出优异的电催化析氢、析氧和尿素氧化性能。在电流密度为150 mA cm-2时,Co2P/Ni MoO4/NF的电催化析氢过电位为169 mV vs.RHE,优于商用20 wt.%Pt/C/NF（295 mV vs.RHE）;在电流密度为10 mA cm-2时,其电催化析氧电压为1.45 V vs.RHE,优于商用RuO2/NF（1.55 V vs.RHE）。在1 M KOH和0.5 M尿素溶液中,电流密度为10 mA cm-2时的尿素氧化电压为1.34 V vs.RHE,接近商用RuO2/NF（1.33 V vs.RHE）,同时拥有较好的稳定性。（4）天然辉钼矿（标记为MoS2）缺陷结构调控及其电催化氮气（N2）还原性能研究。在Ar气氛中高温（800℃）处理天然辉钼矿（标记为MoS2-800）,引入表面S空位缺陷,获得了富含S缺陷的辉钼矿电催化剂MoS2-800,因表面暴露更多Mo原子而对惰性N2具有更好的吸附和活化性能。在0.1 M HCl电解液和-0.35 V vs.RHE电压下,MoS2-800催化剂的平均氨产量为23.38μg h-1 mgcat-1.,法拉第效率为17.9%,稳定性高。富含S空位缺陷MoS2-800的NH3形成机制符合联合机制的远端路径,反应过程中无副产物肼的产生,具有较好的选择性。本论文以不同方法制得的若干性能优异的能源催化材料为研究内容,对材料的表界面结构进行调控,分别通过光能-电能驱动催化水分解产氢,或分解尿素产氢、产氮,以及氮还原产氨,为实现光能-电能-化学能的催化转化,构建绿色能源循环利用体系提供新的技术选择,对“碳达峰、碳中和”双碳目标的实现具有重要的意义。