近年来,由于人口数量激增,全球能源消耗量发生了前所未有的增长。例如,2017年全球能源年消耗量已增至17.9太瓦,预计到2030年将达到22太瓦,这预示着到本世纪末全球能源需求将成倍增长。为应对21世纪的这一重大挑战,人们己付出许多努力来发展清洁、可持续的能源利用方式。氢气被认为是未来最富希望的主要能源载体,己经引起了广泛的关注。其制备有多种方法,其中电解水生成氢气和氧气由于原料来源广泛而且没有碳产生,因此被认为是产生清洁氢能的可靠途径。然而,电解水反应需要高活性的催化剂才能高效地进行。目前,贵金属基电催化剂因其高催化性能而得到广泛研究,但储量少、成本高的缺点在很大程度上限制了其大规模应用。此外,贵金属和非贵金属电催化剂在苛刻的工况条件下往往会发生失活,表现出活性和稳定性的不足。因此,电解水反应需要有效的电催化剂设计,以克服成本高、活性差、稳定性差等问题。本论文围绕酸性电催化剂的结构设计、可控制备以及其高效电解水析氢和析氧应用展开研究。主要内容总结如下:1.研制了一种基于多金属氧酸盐(POMs)和二硒化钴纳米带(CoSe2-NBs)的三明治型非贵金属纳米复合催化剂,并用于酸性析氢反应。研究表明,CoSe2-NBs与POMs的这种复合配位结构可以有效稳定POMs,并且带有质子和电子储层性质,有利于质子耦合电子转移的快速进行,能够实现在高质子浓度下高效地催化析氢反应。2.电解水的阳极析氧反应(OER)动力学过程缓慢,往往需要远超其热力学平衡电势(1.23 V)的能量驱动才能达到较高的电流密度(例如10 mA cm-2)。为了降低多电子转移过程的动力学迟滞和O-O键形成所带来的能量消耗,本工作通过简便的水热方法制备了一种新颖的氧化钌(RuO2)纳米片,并将其在空气中煅烧得到平均长度和宽度分别为10.6 nm和4.8 nm的超薄Ru02纳米带。在酸性条件下,这种新型Ru02纳米带表现出优异的析氧催化活性,只需200 mV过电势即可达到10 mA cm-2的电流密度,优于商业Ru02和己报道的其它类似的酸性OER催化剂。研究表明,该纳米结构暴露出丰富的边棱和配位不饱和位点,大大增加了催化活性位点数量。综上,本论文展示了多种新型纳米复合催化剂的设计与合成,并且研究了它们在催化酸性电解水方面的应用潜力。本论文的工作展示了复合催化剂促进质子耦合电子转移、以及增加活性位点数量有效提高材料电催化性能等现象,为设计高效耐用的酸性析氢和析氧的电催化剂提供了新的思路。