随着能源需求的日益增长,化石燃料的消耗也随之增加,使得化石能源的短缺以及其燃烧所带来的环境问题成为全球所面临的两大难题。近年来,各种清洁能源如太阳能,风能和水力发电等被认为是具有替代化石燃料潜力的清洁能源。然而它们分布的区域性和季节性严重限制了其广泛应用,因此迫切需要研发高效的能源储存和转化技术。氢能源,具有能量密度高和环境友好等优点,是一种具有潜力的清洁可持续能源。在众多的制氢技术中,电解水制氢被认为是一种经济环保且可以大规模生产氢气的方法。水分解包括阴极的析氢反应和阳极的析氧反应,二者缓慢的反应动力学严重限制了电解水制备氢气的能量转换效率。因此,为了降低反应能垒并提高能量的转化效率,需要研制和开发具有高催化活性的电解水催化剂。到目前为止,铂和铱（钌）等贵金属催化剂被认为分别是具有最高活性的析氢和析氧催化剂。然而不幸的是,贵金属催化剂价格的昂贵以及储量的稀缺限制了它们的大规模应用。因此研制和开发具有高催化活性的非贵金属催化剂变得异常的紧迫和重要。近年来,镍铁基催化剂由于价格低廉,催化活性高,以及在高氧化态下稳定性好的优势引起了研究者们的广泛关注。然而,提高镍铁基催化剂的催化活性代替贵金属催化剂仍然存在着很大的挑战。本论文通过引入异质结构,掺杂杂原子、导电基底复合等方法对镍铁基催化剂进行修饰,以进一步提高其催化活性。本论文的主要研究内容以及结果归纳如下:（1）在石墨烯的表面可控组装颗粒超小且高度分散的过渡金属基析氧催化剂,可以大幅度的提高析氧反应的催化效率,同时显著的降低催化剂的制备成本。本论文中以单宁酸为媒介,在石墨烯的表面原位生长镍铁合金纳米粒子。其中单宁酸通过非共价键作用修饰在石墨烯的表面,进而通过其螯合作用将Ni和Fe离子螯合在石墨烯表面,并将其还原为镍铁合金纳米粒子。此析氧催化剂在电流密度为10m Acm-2时的过电位为246 m V,Tafel斜率为46 m V dec-1,并展现出优异的稳定性。其高催化活性的原因可以归结为,在石墨烯表面原位的生长的高分散小粒径镍铁合金纳米颗粒,不仅可以促进析氧反应过程中的电荷转移,而且还可以增加可接触活性位点的数量。在镍铁合金表面形成的Fe OOH促进了表面形成的Ni（OH）2的本征催化活性。另外,原位生长方法使金属纳米粒子和导电石墨烯之间的紧迷连接,提高了催化剂的耐受性。本工作为可控制备价格低廉、催化活性高的析氧催化剂提供了一种绿色,便捷的方法。加深了对析氧催化活性提高机理的科学认识。（2）制备具有协同作用的三维复合析氧电极依然存在着很大的挑战。本论文中,通过层层自组装的方法合成了由泡沫镍支撑的聚乙烯亚胺/还原型氧化石墨烯（PEI/RGO）三维复合电极。在最佳实验条件下,该三维复合电极展现出优异的碱性析氧活性和稳定性。在0.1 M的KOH中当电流密度达到10 m A cm-2时的过电位为322 m V。其优异的催化活性可以归结于原位形成的Ni（OH）2活性物质与暴露的、化学性质稳定的RGO纳米片的共价交联多层结构。所有的这些特性都来自于NF,PEI和RGO之间的相互协同作用。本工作演示了一种简单,温和,可控和经济的自组装方法,将传统的催化活性差的催化剂转化为价格低廉,催化活性高且稳定性好的三维析氧催化剂。并且本工作对催化剂催化活性以及稳定性的优异性进行了深入的机理研究,这对催化剂催化活性的提高具有重要的意义。（3）设计和合成具有催化活性高价格低廉且同时具有析氢和析氧催化活性的双功能催化剂对于电解水制备氢气来说仍然存在着很大的挑战。本论文中我们通过一步溶剂热的方法成功的合成了由泡沫镍支撑金属硫化物纳米簇镶嵌的Fe/Ni基MOFs超薄纳米片。此催化剂在碱性条件下展现出优异的析氢析氧催化活性和稳定性。在电流密度为50 m A cm-2时析氧和析氢反应的过电位分别是230 m V和156 m V。作为双功能催化剂,其在碱性条件下全电解水时在电流密度达到10 m A cm-2和50 m A cm-2的槽压分别为1.61 V和1.74 V（未i R矫正）。通过研究发现MOFs纳米片中镶嵌的硫化物纳米簇具有重要的作用。硫化物纳米簇不仅可以提高材料的导电性并促进超薄纳米片的形成,使得更多的反应活性位点暴露,加速反应过程中电荷转移和物质传输。更重要的是,硫化物纳米簇有效的调制了金属活性位点的电子结构,通过电子相互作用使得金属活性位点的电子密度提升,改变析氧中间体的吸附强度,加速电化学析氧反应的动力学。本工作为合理的设计合成MOFs衍生催化剂的提供了有价值的参考。（4）设计适用于碱性全电解水装置的析氢/析氧反应的双功能催化剂仍然存在着很大的挑战。通过钌掺杂的方法提高了镍铁基MOFs材料的析氢和析氧电催化活性。生长在泡沫镍上的钌掺杂Ni/Fe MIL-53 MOFs纳米片（MIL-53（Ru-Ni Fe）@NF）在碱性条件下,当析氢和析氧的电流密度达到50 m A cm-2时的过电压分别为62和210 m V,且钌的负载量低至110μg cm-2。当将MIL-53（Ru-Ni Fe）@NF同时作为析氢和析氧预催化剂时,其在全电解水电流密度达到50 m A cm-2时的槽压为1.6 V（未作i R矫正）,其催化活性优于Ru O2@NF//Pt/C@NF基电解槽。进一步研究发现钌掺杂显著的促进了超薄纳米片的形成,同时由于钌对含氧中间体的亲和作用,增加了析氧催化活性并加速了碱性HER缓慢的Volmer步骤,提高了催化剂的析氢本征催化活性。