为摆脱传统化石能源桎梏,积极应对环境问题,人们不断的探索、发展新型清洁能源。相对于核能泄露的严重后果,太阳能、风能和水能又会受到地理和季节的限制,氢能由于自身的储量丰富、可持续性、高燃烧热值、零污染等优点被人们逐步发掘。当前,氢气作为零碳的能源载体,在我国碳达峰、碳中和发展背景下正在得到越来越多的关注:到2050年,氢能消费预计占世界能源市场的18%,世界超过20%的CO2减排将通过氢能实现。制氢的多种方式中,电催化水分解技术不仅可以保证全程零碳排放,而且具有市场推广的可能。水分解反应由析氢反应（HER）和析氧反应（OER）组成,根据DFT计算得知,Pt、Ir、Ru等贵金属具有最高的催化活性。但贵金属材料分布稀缺且价格昂贵,严重制约电解水产氢的推广,寻找可替代的非贵金属基催化剂是该领域最迫切的问题。理想的电催化剂应具备:（1）原材料储量大,价格低廉无污染。（2）制备方式简单环保,可实现大规模生产。（3）催化活性高,起始点位低、过电势小。（4）稳定性强,工作时间长且活性稳定。因此,为全方位评估电解水催化剂的催化活性,需要对其进行一系列测试、计算得到一些指标参数,包括:给定电流下的过电势(1 m A cm-2,10 m A cm-2,100 m A cm-2等)、交换电流密度、塔菲尔斜率、电阻、电化学活性面积、激活能、稳定性等。Co基过渡金属催化材料具有诸多优势,如良好的导电性、合适的能带结构以及较为稳定的化学稳定性等,是非常合适的替代催化材料。因此本文讨论的研究内容就是设计和开发Co基过渡金属催化剂材料,通过界面工程、缺陷工程、原子掺杂等方式提高催化剂整体活性位点数量以及每个活性位点的本征活性,从而实现HER与OER的双功能要求,进而提高非贵金属基催化剂的水分解性能。本文的具体研究内容如下:（1）通过水热法和高温煅烧磷化处理方式,基于界面工程制备的花瓣状Co P/Ni2P复合材料,对其水分解催化性能研究发现:界面可以调节催化剂价带的电子状态、暴露活性位点,从而调整催化剂的结合能进而影响其催化活性。本章正是通过界面工程策略,提出了一种利用双相同构氢氧化物前驱体制备不同相磷化产物的方式,探究了温度、配比对产物界面结构、催化活性的影响,寻找到了一种合适的制备条件将催化材料电子状态调节到合适位置,大大提高其催化性能。作为一个概念验证,本文合成了一种Co P/Ni2P双相催化剂,该催化剂对碱性HER、OER和全解水反应（接近商业组合Pt/C||Ru O2）都显示出良好的催化活性,并且具有出色的循环稳定性（持续工作40 h,电流密度的保持率为98%）。（2）通过水热法、室温共沉淀法和高温煅烧磷化处理方式制备出具有非晶、多孔结构的Co P3针状阵列电极,对其水分解催化性能研究发现:与晶体相比,非晶态结构具有更低的能垒和丰富的不饱和配位键,这将有助于调控催化材料的吸附能。在本章中我们依次使用2-甲基咪唑和乙醇,采用化学方式在不影响Co（OH）2结构的情况下制造了丰富的纳米孔洞缺陷（30 nm）,大大提高催化材料的几何面积,暴露更多活性位点,并进一步调控其电子状态。同时,借助NF基底特殊的3D网状结构和催化剂自身的亲水针状结构,使得产物（H2和O2）得以快速排出,保证了电极持续高效的工作。因此,作为全水解阳极和阴极的非晶、多孔Co P3电极表现出超过商业贵金属组合Pt/C||Ru O2的超高催化活性(A-P-Co P3||A-P-Co P3:E10=1.57 V,E100=1.64 V;Pt/C||Ru O2:E10=1.57 V,E100=1.66 V),并且在40 h的循环工作后仍能保持96.1%的初始电流密度,电极的溶解消耗仅为1.9%。该工作为探索新型的缺陷工程及非晶化处理策略提供了有力支撑,为高效水分解催化剂的探索提供了一种可行策略。（3）通过水热法和高温煅烧磷化处理方式,基于界面工程制备了Ni2P/Co P3自支撑电极,对其水分解催化性能研究发现:这种新型的Ni2P/Co P3三维异质结构作为水分解催化剂,具备卓越的催化活性,并借助DFT模拟计算对其活性提升原因进行了深入分析。这种异质结构结合了具有互补氢吸附吉布斯自由能的Co P3和Ni2P,并通过丰富的界面区域调节催化剂整体电子状态,从而改善了整个催化剂的电化学活性面积、电导率和活化能。因此,Ni2P/Co P3异质结构在宽p H值范围内都显示出令人印象深刻的HER和OER性能。在p H 7-14的电解液中,HER只需要57.3、81.4和99.6 m V就能达到10 m A cm-2,OER需要323、327和337 m V即可达到100 m A cm-2。更重要的是,以Ni2P/Co P3作为阴极和阳极组装成的全水解装置,同样具备优异的催化活性(1.557V,10 m A cm-2)以及循环稳定性（超过40 h）,优于滴在NF的Pt/C和Ru O2贵金属组合。因此,这项工作不仅为开发多功能电催化剂提供了一种设计理念,而且还为挖掘界面工程,宽pH值范围内水分解性能探索提供了新思路。（4）通过水热法、室温浸泡法以及高温煅烧氧化处理方式,基于Ni O/Co3O4异质结构和Ru掺杂制备的自支撑电极,对其催化性能研究发现:这种基于碳布基底设计的Ru掺杂Ni O/Co3O4针状阵列异质结构作为催化剂电极,具备卓越的OER、ORR和HER性能。该催化剂通过双相氧化物异质结构之间的协同作用和适当的Ru掺杂得以调节整体电子能态,提高了电化学活性面积和电导率,降低了催化反应所需的活化能。因此,该催化剂电极在碱性环境中表现出良好的OER、ORR和HER性能(HER和OER反应达到100 m A cm-2仅需要138 m V和269 m V过电势,ORR反应的半波电位高达0.88V),以上表现均超出了同类型反应中商业使用的贵金属基催化剂电极Pt/C和Ru O2。更重要的是,基于该催化剂电极所组装的全水解装置也具有极高的催化活性(1.555V@10 m A cm-2,1.650 V@100 m A cm-2),并且可以稳定工作40 h以上,优于Pt/C/CC||Ru O2/CC。因此,这项工作不仅为开发多功能电催化剂提供了新的设计理念,而且为探索相对廉价的Ru掺杂和结构工程综合应用提供了新思路。