氢能是一种来源广泛，能量密度高，燃烧产物无污染的清洁可再生资源，通过在酸性或碱性条件下裂解水来制备氢能是一种应用潜力巨大的制氢方法，但无论在酸性或碱性裂解水产氢都需要催化剂来加速裂解过程，提高反应效率。贵金属是目前广泛使用的催化剂，但由于贵金属本身储量有限，价格高昂，不利于未来电解水的工业化发展。研究发现在碱性裂解水中，过渡金属的有效选择和利用可以显著减少对贵金属催化剂的依赖。碱性电解水中的析氢反应目前发展较成熟，过电位仅有20mV左右，而析氧反应过电位超过300mV。本文针对这一研究现状，对碱性电解水中的析氧反应催化剂（层状双金属氢氧化物）的电子结构进行多种手段的精细调控，实现了催化活性的进一步提高。并进一步建立了层状双金属氢氧化物中金属位点的电子结构及其电催化析氧反应性能的构效关系，具体研究内容和结论有以下几点:
　　1.制备了层间具有不同氧化还原活性阴离子的层状双金属氢氧化物，并研究了其作为碱性析氧反应催化剂的催化性能。研究发现，具有不同氧化还原活性的阴离子对于金属位点的电子结构有明显的调控作用。其中层间插层还原性阴离子（SO32-，H2PO2-等）的材料相比于传统碳酸根插层的材料具有更优秀的析氧反应本征催化活性，而层间插层氧化性阴离子（ClO-，ClO2-等）的材料其本征活性较差。这种催化活性的差别主要来源于作为催化中心的金属位点电子结构的差异。具有低价态、富电子结构的催化中心更容易通过失去电子而和电解液中的氢氧根发生相互作用，促进其表面的去质子化过程，进而实现高效析氧反应的进行。
　　2.基于金属位点电子结构与其催化活性的构效关系，进一步通过多种方法提高层状双金属氢氧化物的碱性析氧催化性能。通过还原性火焰快速焙烧处理的方法，向镍铁层状双金属氢氧化物中引入氧空位来实现对其中金属位点电子结构的调控，增强其对析氧反应中间体的吸附，最终实现了析氧反应本征活性的提高。材料具有较低的析氧反应起峰电位(1.42V，相对于可逆氢电极)，且具有良好的催化稳定性。通过向层状双金属氢氧化物层板间掺杂具有弱电负性的金属离子（Fe2+，Mn2+等），利用金属离子间的电子转移实现了对于层板金属位点的电子结构调控。这一方法同时激活了边缘活性位点和长久以来惰性的面内金属位点，提高了材料的本征活性和活性位点的数目。此外，通过机械力化学法对层状双金属氢氧化物进行金属离子配位环境和晶格应力的改变，调控了金属位点的电子结构和对反应中间体的吸附能。富电子结构的金属位点对反应中间体有更强的结合强度，使得该材料的析氧反应起峰电位低至1.43V，达到10mA/cm2工作电流密度仅需270mV过电位。
　　3.设计了具有长程梯度的析氧反应催化剂。针对梯度材料在光电催化领域内的重要应用以及目前长程梯度材料在制备上的空白，在水热合成过程中制备了含有铁梯度掺杂效应的镍铁层状双金属氢氧化物纳米阵列。铁的梯度掺杂带来了连续的金属-氧键的键长和金属位点电子结构的变化，使得整个材料具有连续的界面效应，提高了镍铁层状双金属氢氧化物本征催化活性。此外，铁的梯度掺杂导致材料的能带结构发生了变化。这种梯度掺杂效应带来了镍铁层状双金属氢氧化物纳米材料内部电子和空穴的定向移动，减弱了电子-空穴的重聚合趋势，提高了电催化过程中载流子的传输利用率。因此，这种梯度掺杂效应从材料的本征活性和载流子传输两方面提高了镍铁层状双金属氢氧化物的析氧反应催化效率。
　　4.基于电子结构调控设计了双功能催化剂。利用原位生长的方法制备了一系列层状双金属氢氧化物/柔性石墨烯基底复合材料，通过进一步的掺杂/硫化作用，合成了一系列优秀的析氧/氧还原双功能催化剂。制备得到的层状双金属氢氧化物/氧化石墨烯复合粉体材料具有类阵列的结构，在本征活性得到提高的基础上，其开放的结构和充分暴露的活性位点加速了传质和反应中间体与催化中心的接触。通过进一步的原型锌空电池的组装应用发现，这类材料实现了锌空电池的低充电电压和高工作电流密度，为可充放电锌空电池的发展提供了思路。