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在能源危机日益严重的今天，氢能作为绿色无污染的清洁能源具有很大应用前景。电解水制氢是目前制取氢气的重要方法之一，开发具有优良电解水性能的催化剂是一项重大挑战。本论文基于制备过程简单的电化学沉积法，将具有优异电催化性能的Ru元素引入到纳米片阵列表面，首先构筑了系列Ru元素高度分散的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH和Co(OH)2-RuO2/NiOOH纳米片阵列，然后通过焙烧、磷化等手段获得了系列氧化物和磷化物纳米片阵列，并考察了所制备电催化材料的HER和OER性能。具体研究内容如下:
1、采用电沉积方法在泡沫镍基底(NF)表面原位生长得到了不同Fe/Ru摩尔比的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列，研究发现，经过氧气活化后，Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列的HER性能得到了大幅度提高，其中Fe/Ru摩尔比为5的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列显示出最为优异的HER性能，在测试中达到10、100、500和800mA cm-2电流密度时的过电势分别仅为4、42、74和83mV，优于Pt/C催化剂，其Tafel斜率仅为34.2mV dec-1，在83mV的过电势下其质量活性高达4700A g-1;其中Fe/Ru比例为20∶1的Sample Fe20Ru纳米片阵列具有非常优异的OER性能。其在1M KOH电解质中进行OER测试达到20、100、500和800mA cm-2的电流密度时所需的过电势仅为205、231、254和264mV，同时Tafel斜率仅为41.5mV dec-1，活性优于RuO2催化剂，在264mV的过电势下其质量活性高达5000A g-1，是目前报道的性能最为优异的OER催化材料之一。同时，XPS表征结果表明RuO2具有最高的HER活性。以Sample Fe20Ru纳米片阵列为正极、Sample Fe5Ru纳米片阵列为负极构筑全解水电解槽Sample Fe20Ru(+)‖Sample Fe5Ru(-)，达到10、100、500和800mA cm-2电流密度时的电压仅为1.438、1.516、1.561和1.576V，优于RuO2(+)‖Pt(-)电极构筑的电解槽。
2、采用电沉积方法在NF表面构筑不同Fe/Ru摩尔比的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列，然后采用磷化处理获得了系列FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列。研究发现，FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列在碱性电解质溶液中具有非常优异的HER性能，在1M KOH电解质溶液中，Fe/Ru摩尔比为3的Fe3RuPx纳米片阵列显示出最优异的HER活性;HER性能测试表明Fe3RuPx纳米片阵列仅需10、34、61和70mV的过电势即可产生10、100、500和800mA cm-2电流密度，优于Pt/C催化剂。Fe2RuPx纳米片阵列在0.5M H2SO4和1M PBS电解液中驱动10、100、500和800mA cm-2的HER电流密度分别仅需13、59、87和89mV的过电势与19、77、345和436mV的过电势，对应的Tafel斜率分别为45.3和57.6mV dec-1，因此所制备的FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列在全pH值范围的电解液中均具有非常优异的HER催化性能。以Fe3RuPx纳米片阵列与Fe4RuPx纳米片阵列构筑全解水电解槽Fe4RuPx(+)‖Fe3RuPx(-)，达到10、100、500和800mA cm-2电流密度时的电压仅为1.435、1.509、1.544和1.552V，优于RuO2(+)‖Pt(-)电极构筑的电解槽。FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列优异的电解水性能归因于:纳米片阵列能够牢固的负载在泡沫镍基底上，具有优良的导电性，有利于促进电解水过程中的电子转移;纳米片阵列结构具有较大的电化学活性面积，能提供大量的活性位点;高度分散的小尺寸RuPx纳米颗粒具有非常高的本征活性，有助于提升其HER和OER动力学;无定型FePx和RuPx纳米颗粒存在相互作用，能够调节Ru的电子结构，进一步提升了RuPx纳米颗粒的电催化活性。
3、采用电化学方法在NF表面沉积生长不同Co/Ru摩尔比的Co(OH)2-RuO2/NiOOH纳米片阵列，然后经过焙烧处理制备了系列Co3O4-RuO2/NiO氧化物纳米片阵列。研究发现Co/Ru摩尔比为5制备的Co5RuOx纳米片阵列，在1M KOH、0.5M H2SO4和1M PBS电解液中，达到10、100、500和800mA cm-2的HER电流密度时分别仅需17、59、104和119mV，22、75、113和122mV及11、75、269和301mV的过电势，对应的Tafel斜率分别为40.8、45.9和43.2mV dec-1。此外，Co3O4-RuO2/NiO纳米片阵列也表现出较为优异的碱性和中性OER性能，在1M KOH中，Co3RuOx纳米片阵列仅需259、337和371mV的过电势即可产生10、100和400mA cm-2的OER电流密度，Tafel斜率为77mV dec-1;在1MPBS电解液中，Co5RuOx纳米片阵列在264、423、577和613mV的过电势即可驱动10、100、500和700mA cm-2的OER电流密度，对应的Tafel斜率为234mV dec-1。Co3O4-RuO2/NiO纳米片阵列具有优异的电解水催化性能，是因为焙烧后保持的纳米片阵列结构有利于电解水过程中气泡的析出，提升产气性能;纳米片阵列结构具有较大的电化学活性面积，能提供大量的活性位点;高度分散的小尺寸RuO2纳米颗粒具有非常高的本征活性，有助于提升其HER和OER动力学;Co3O4和RuO2纳米颗粒存在相互作用调控了Ru的电子结构，进一步提升了RuO2纳米颗粒的电催化活性。
1、采用电沉积方法在泡沫镍基底(NF)表面原位生长得到了不同Fe/Ru摩尔比的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列，研究发现，经过氧气活化后，Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列的HER性能得到了大幅度提高，其中Fe/Ru摩尔比为5的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列显示出最为优异的HER性能，在测试中达到10、100、500和800mA cm-2电流密度时的过电势分别仅为4、42、74和83mV，优于Pt/C催化剂，其Tafel斜率仅为34.2mV dec-1，在83mV的过电势下其质量活性高达4700A g-1;其中Fe/Ru比例为20∶1的Sample Fe20Ru纳米片阵列具有非常优异的OER性能。其在1M KOH电解质中进行OER测试达到20、100、500和800mA cm-2的电流密度时所需的过电势仅为205、231、254和264mV，同时Tafel斜率仅为41.5mV dec-1，活性优于RuO2催化剂，在264mV的过电势下其质量活性高达5000A g-1，是目前报道的性能最为优异的OER催化材料之一。同时，XPS表征结果表明RuO2具有最高的HER活性。以Sample Fe20Ru纳米片阵列为正极、Sample Fe5Ru纳米片阵列为负极构筑全解水电解槽Sample Fe20Ru(+)‖Sample Fe5Ru(-)，达到10、100、500和800mA cm-2电流密度时的电压仅为1.438、1.516、1.561和1.576V，优于RuO2(+)‖Pt(-)电极构筑的电解槽。
2、采用电沉积方法在NF表面构筑不同Fe/Ru摩尔比的Fe(OH)x-RuO2/NiOOH纳米片阵列，然后采用磷化处理获得了系列FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列。研究发现，FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列在碱性电解质溶液中具有非常优异的HER性能，在1M KOH电解质溶液中，Fe/Ru摩尔比为3的Fe3RuPx纳米片阵列显示出最优异的HER活性;HER性能测试表明Fe3RuPx纳米片阵列仅需10、34、61和70mV的过电势即可产生10、100、500和800mA cm-2电流密度，优于Pt/C催化剂。Fe2RuPx纳米片阵列在0.5M H2SO4和1M PBS电解液中驱动10、100、500和800mA cm-2的HER电流密度分别仅需13、59、87和89mV的过电势与19、77、345和436mV的过电势，对应的Tafel斜率分别为45.3和57.6mV dec-1，因此所制备的FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列在全pH值范围的电解液中均具有非常优异的HER催化性能。以Fe3RuPx纳米片阵列与Fe4RuPx纳米片阵列构筑全解水电解槽Fe4RuPx(+)‖Fe3RuPx(-)，达到10、100、500和800mA cm-2电流密度时的电压仅为1.435、1.509、1.544和1.552V，优于RuO2(+)‖Pt(-)电极构筑的电解槽。FePx-RuPx/NiPx纳米片阵列优异的电解水性能归因于:纳米片阵列能够牢固的负载在泡沫镍基底上，具有优良的导电性，有利于促进电解水过程中的电子转移;纳米片阵列结构具有较大的电化学活性面积，能提供大量的活性位点;高度分散的小尺寸RuPx纳米颗粒具有非常高的本征活性，有助于提升其HER和OER动力学;无定型FePx和RuPx纳米颗粒存在相互作用，能够调节Ru的电子结构，进一步提升了RuPx纳米颗粒的电催化活性。
3、采用电化学方法在NF表面沉积生长不同Co/Ru摩尔比的Co(OH)2-RuO2/NiOOH纳米片阵列，然后经过焙烧处理制备了系列Co3O4-RuO2/NiO氧化物纳米片阵列。研究发现Co/Ru摩尔比为5制备的Co5RuOx纳米片阵列，在1M KOH、0.5M H2SO4和1M PBS电解液中，达到10、100、500和800mA cm-2的HER电流密度时分别仅需17、59、104和119mV，22、75、113和122mV及11、75、269和301mV的过电势，对应的Tafel斜率分别为40.8、45.9和43.2mV dec-1。此外，Co3O4-RuO2/NiO纳米片阵列也表现出较为优异的碱性和中性OER性能，在1M KOH中，Co3RuOx纳米片阵列仅需259、337和371mV的过电势即可产生10、100和400mA cm-2的OER电流密度，Tafel斜率为77mV dec-1;在1MPBS电解液中，Co5RuOx纳米片阵列在264、423、577和613mV的过电势即可驱动10、100、500和700mA cm-2的OER电流密度，对应的Tafel斜率为234mV dec-1。Co3O4-RuO2/NiO纳米片阵列具有优异的电解水催化性能，是因为焙烧后保持的纳米片阵列结构有利于电解水过程中气泡的析出，提升产气性能;纳米片阵列结构具有较大的电化学活性面积，能提供大量的活性位点;高度分散的小尺寸RuO2纳米颗粒具有非常高的本征活性，有助于提升其HER和OER动力学;Co3O4和RuO2纳米颗粒存在相互作用调控了Ru的电子结构，进一步提升了RuO2纳米颗粒的电催化活性。