由于化石燃料的快速消耗和日益严重的环境污染问题,人们对清洁、可持续发展的替代能源的需求日渐迫切。氢气因具有高能量密度且反应产物清洁无污染而被普遍认为是最理想的新型能源载体。目前,电解水法,包括阳极的析氧和阴极析氢两个半反应,是目前制备氢气最高效且环境友好的方法。贵金属基催化剂,包括Ir、Ru及其氧化物(IrO2和RuO2)被认为是催化性能最好的析氧反应(OER)催化剂,而Pt基催化剂析氢(HER)性能最佳。但是贵金属在地壳中储量稀少且价格昂贵,因此,如何提高贵金属的利用率、优化贵金属催化剂的性能成为了研究热点。一般认为,解决问题的有效途径通常有:1)调控催化剂的尺寸和形貌,增加所制备纳米材料的表面积、调整表面原子分布,进而提高其催化活性;2)掺杂相对廉价的金属、过渡金属或非金属,改变催化剂的化学组成,降低贵金属用量,利用金属之间或金属与非金属之间的协同效应和电子效应提高催化活性和稳定性;3)把贵金属纳米材料负载到载体上(如:石墨烯、碳纳米管、TiO2及TiC等),在减少贵金属用量的同时提高催化剂的利用率。本文通过一步水热法,设计制备出了不同形貌、组成的Ir基纳米催化剂,并将其应用为OER、HER或电解水的双功能催化剂。具体研究内容如下:1.利用聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)为形貌控制剂、配位剂和保护剂,通过一步水热法制备出了带有丰富纳米孔洞的超细Ir纳米线(Ir NWs)。合成的Ir NWs由尺寸约2.5 nm的Ir纳米粒子相互连接而成,粒子之间布满2 nm的纳米孔洞,纳米线直径约12±3 nm。多孔结构赋予了催化剂丰富的表面活性位点和较大的比表面积,增加了传质速率;互联结构能有效降低贵金属纳米粒子的溶解、迁移、聚集及Ostwald熟化,增加了催化剂的稳定性。电化学测试表明,多孔Ir NWs的电化学活性面积(ECSA)值为787.67 cm2/mgIr;与RuO2催化剂对比,Ir NWs对OER具有更小的过电位,当电流密度为10 mA/cm2时,它的极化过电位仅为248 mV,远低于商业化RuO2催化剂(351 mV)。2.借助于聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)作为形貌调控剂,以Pd盐和Ir盐为金属前驱体,通过一步水热法制备出了由PdIr合金纳米粒子自组装构成的二维超薄自支撑PdIr多孔纳米片。此材料的超薄二维纳米结构(几个纳米厚)具有独特的物理、化学特点,而且其比表面积大、表面暴露原子多、导电能力好、电极与电解质溶液的界面大、离子和电子传导路径短,因此十分有利于增加材料的OER和HER的催化活性。此外,其二维片状结构也有利于提高催化剂的稳定性。多孔结构使材料具有更大的表面积和界面面积,有利于和溶液的接触及产物气体H2和O2的释放,同时也有利于缩短传质距离。此催化剂对碱性环境下的HER催化性能优异,其Tafel斜率为57.1 mV/dec,当电流密度为10 mA/cm2时,其HER极化过电位为91 mV。此外,此催化剂对碱性条件下的OER同样展现出了极好的催化性能,它拥有比RuO2催化剂更低的过电位和Tafel斜率。其Tafel斜率为84.2 mV/dec,当电流密度为10 mA/cm2时,它的OER极化过电位为276 mV。可见,制备得到的二维超薄PdIr多孔纳米片是一个优良的双功能电解水催化剂。3.以聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)作为氮掺杂剂,以IrCl3为金属前驱体,氧化石墨烯作为碳载体,通过一锅水热法合成了直接生长在氮掺杂还原石墨烯上的高度分散的超细Ir纳米粒子催化剂Ir-N-rGO催化剂。石墨烯有较大的比表面积,能有效防止纳米粒子之间的聚集;石墨烯与Ir纳米粒子之间的化学作用和电子耦合作用能同时增加催化剂的导电性和稳定性;此外,石墨烯的加入能减少贵金属用量以降低成本。制备得到的负载型超细Ir纳米粒子均匀分散在单层还原石墨烯上,纳米Ir粒子的平均粒径为2.1 nm。电化学测试表明,此催化剂具有类Pt/C(20%)的析氢反应催化性能,其催化析氢反应的Tafel斜率为52.6 mV/dec,当电流密度为10 mA/cm2时,其HER极化过电位仅为76 mV。此外,Ir-N-rGO催化剂对析氧反应的催化过电位远低于Pt/C(20%)催化剂及RuO2催化剂。当将制备得到的Ir-N-rGO催化剂同时作为阳极催化剂和阴极催化剂测试其全解水性能时,与20%Pt/C‖RuO2电解槽相比,其电解水的催化活性和稳定性皆优于20%Pt/C∶ RuO2电解槽,经过100000 s的i-t测试以后其电流密度仍没有明显衰减。