人类的生存和持续发展正面临着能源危机和环境污染等问题的困扰。利用电解水技术制备绿色清洁能源载体——氢气,被认为是改变当前窘境的一个有效方案。选用高效的催化剂是决定反应顺利进行的一个关键因素。贵金属铂基材料是当前产氢性能最佳的催化剂,但它储量低、价格高,在实际生产应用中受限。因此发展非贵金属催化剂替代铂基材料是当前研究的重点。碳材料具有稳定性高、导电性好、价格低和耐酸碱腐蚀的优点,这使得碳基材料在解决能源短缺、环境污染以及环境气体检测等重大问题上被寄予厚望。然而碳材料本身不具有（或具有非常弱的）催化活性,需要与活性物种通过复合、掺杂等“活化”方式来产生活性位点,提高催化性能。本论文以碳基电催化剂为研究对象,以优化碳基电催化剂的水裂解析氢性能为研究目标,设计合成出多种碳材料与金属化合物的复合材料,并系统研究了催化性能与材料组成、结构的内在关系。一、采用“发芽生长”的方法成功制备了具有开放纳米网络结构的Mo₂C与富氮的碳复合的多孔材料。实验以钼酸铵为金属源,乙二胺与四氯化碳的聚合反应为碳源,利用聚合组装得到的带正电荷的聚合物量子点来固定Mo₇O₂₄^6-,再经惰性气氛中高温煅烧,得到骨架结构开放的Mo₂C/NC膜材料。通过控制金属的引入量,可以制备出不同形貌结构的Mo₂C/NC材料。制备的复合材料可作为优异的电解水析氢催化剂。其中,具有均匀厚度膜结构的复合材料（Mo₂C/NC）催化性能最佳,酸性环境中达到10 mA/cm²电流密度所需过电势为140 mV。稳定性测试发现材料可以稳定长达120小时。采用XPS、Raman、BET、TEM等表征方法分析探究了材料本身的结构特点,研究表明材料的开放骨架多孔膜结构可以使活性位点暴露出来,并与电解液充分接触有利于电子和物质的传输,促进催化析氢反应。二、同样以乙二胺和四氯化碳的聚合反应作为碳源,同时加入硝酸钴做为金属源,再经过氨气氛围800^oC煅烧处理,我们制备出均匀的CoN/Co共催化剂纳米颗粒嵌在多孔碳层中的复合材料;把前驱物置于氮气氛围中800^oC煅烧处理时,得到的是Co纳米颗粒嵌在多孔碳层中的复合材料（Co-NC）;把前驱物置于氨气氛围中800^oC煅烧处理时,得到的是部分氮化的Co纳米颗粒嵌在多孔碳层中的复合材料（CoN/Co-NC）。当把材料应用于催化电解水产氢反应时,在酸性和碱性环境中都表现出显著的催化性能。产生10 mA/cm²的电流密度所需过电势分别为190 mV和160 mV,并可以催化稳定100小时。CoN/Co共催化剂复合材料的催化性能明显优于单纯的Co纳米颗粒嵌在碳层中的催化剂性能。进一步的理论计算和机理研究发现复合电催化剂活性的提高来源于Co和CoN之间的Janus效应,即功函数不同的两种物质接触的界面会发生电子转移,使材料局部富电子,有利于捕获质子,从而促进质子转变为H₂的反应,使反应在动力学上更容易发生。三、利用Fe₃O₄纳米球的磁性,在包覆酚醛树脂过程中采用搅拌自发产生磁场的方法诱导氧化铁纳米球排列成纳米链,酚醛树脂包覆的氧化铁纳米链再经过高温煅烧和水热硫化最终得到形貌和尺寸保持的FeS₂@C的复合纳米链结构。包覆碳层的厚度可通过调变合成体系中酚醛树脂的量来控制,厚度范围为0-85 nm。当包覆碳层过厚（85 nm）时,氧化铁球不能被完全硫化;而当碳层过薄（0 nm）时,硫化后不能保持球组装的纳米链结构。其中当厚度为40 nm时,材料催化水裂解产氢反应性能最优。需要195 mV的过电位以产生10 mA/cm²的电流密度,并表现出优异的催化稳定性。这是由于碳包覆的核壳结构可以使活性位点充分利用,并且碳包覆能够防止材料在催化过程中团聚或被腐蚀。此外,所得到核壳结构的FeS₂@C纳米链阵列聚集成束的多级结构,既有利于电子沿轴向传输,又有利于电子沿纳米线之间传输,对催化质子变成氢气的反应过程起到积极作用。该设计合成策略为稳定其他过渡金属硫化物和制备多级结构提供了新的思路。