水分解是能够以氢燃料的形式存储间歇性能量(如太阳能和风能)必不可少的化学反应。水分解包括阳极氧析出反应(OER)和阴极氢析出反应(HER),其中,HER涉及两电子转移,而OER涉及四电子转移,因而OER需要更高的过电位才会进行,通常被认为是水分解的瓶颈。近年来,过渡金属基材料因其在光催化、电催化、气体传感器和锂离子电池等领域具有巨大的研究价值而受到广泛的注意。目前,一般过渡金属基氧化物的电催化性能并不突出,而且他们的稳定性有待进一步提高。因此,我们不仅需要设计具有更高比表面积的材料,其结构也需要在电催化过程中保持较长时间而不坍塌。本论文从形貌和结构两方面出发,制备了高效的过渡金属基电催化材料。我们利用溶剂热法制备出了 Yolk-shell结构的铁酸锌微球,镍掺杂的四氧化三钴多孔纳米片以及具有单分散微纳米结构的铁酸镍和铁酸钴微球。主要研究成果如下:(1)这一章节中,在表面活性剂十二烷基磺酸钠的辅助下,我们利用溶剂热法制备出了由纳米颗粒组装的具有yolk-shell结构的铁酸锌微球。通过一系列的时间依赖性实验,发现yolk-shell结构的铁酸锌微球的形成机制与奥斯特瓦尔德熟化机理有关。其在电流密度10 mAcm-2下的过电位仅为280 mV,塔菲尔斜率为70 mV dec-1,经过12小时测试后的电流略微降低,稳定性测试后的形貌几乎与测试之前一致,结构没有坍塌。Yolk-shell结构的铁酸锌微球优异的电催化析氧性能及其良好稳定性的可归因于:纳米粒子组装的具有高比表面积和独特的yolk-shell结构的铁酸锌微球可以提供更多的活性位点,增大反应物与活性位点的接触面积,帮助电子转移,从而提高催化活性。(2)在这一章节中,我们利用水热法合成了镍掺杂的四氧化三钴(镍的含量分别为:0,2 wt%,4 wt%,6 wt%和8 wt%)多孔纳米片。电化学测量表明,少量镍掺杂的四氧化三钴在碱性电解液中对氧析出反应(OER)和氢析出反应(HER)均表现出显著增强的活性。与其他含量镍掺杂的四氧化三钴相比,对于OER,在电流密度为10 mA Cm-2时,4 wt%镍掺杂的四氧化三钴的过电位最低,为240 mV;对于HER,在电流密度为-10 mAcm-2时,4 wt%镍掺杂的四氧化三钴的过电位最低,为120 mV。(3)这一章节中,我们利用溶剂热法制备了一系列由纳米颗粒和纳米片组装的单分散多级结构的 CoFe2O4、Co0.75Ni0.25Fe2O4、Co0.5Ni0.5Fe2O4、Co0.25Ni0.75Fe2O4和NiFe2O4微球。有趣的是,在同样的条件下这一系列材料具有几乎一样的形貌和尺寸。从电催化结果来看,它们的电催化性能随着Ni源的增多而增强,即NiFe204微球具有最优异的电催化产氧性能。NiFe204微球良好的OER性能可归因于独特的多级微纳米结构、大的比表面积以及其对含氧中间体的良好的吸附能力。