电催化分解水来是由析氢及析氧这两个半反应组成的。相对于制氢的两电子过程,电催化分解水制氧作为一个四电子反应,是整个催化反应的动力学迟滞步骤。本文着力于开发高性能、低成本、高稳定性的钴(镍、铁)基析氧催化材料,通过暴露催化活性位点、提高载流子浓度和电子传输能力等策略,降低电催化分解水制氧过电位,改善电能转换效率。基于析氧性能研究,我们进一步构筑了大尺寸自支持催化电极,组装了两电极体系,实现了高效的电催化分解水。小尺寸的纳米粒子暴露了大量活性位,是提高催化活性的最简单、直接的手段之一。在论文第一部分,我们利用溶剂热解法制备了表面包覆油酸的小尺寸四氧化三钴纳米晶,通过简单的喷涂法将纳米晶墨水喷涂到碳纤维纸表面,制备了大尺寸自支持电极。我们通过温和的氢氧化钾浸泡过程,去除催化剂表面的油酸,有效地暴露活性位点,避免了传统热处理方法引起的催化剂聚集现象。四氧化三钴纳米晶-碳纤维纸电极拥有较低的析氧过电位和高的催化电流。研究发现,该电极也具有一定的析氢活性,组装的全解水体系表现较高的全解水活性。二维纳米薄片同样具有较大的电化学活性比表面积和更优异的电子传输能力。在论文第二部分,我们利用界面诱导组装方法制备了由小尺寸纳米粒子组装成的Co3O4纳米薄片。该纳米片拥有较大的比表面积和电化学活性比表面积,低的结晶度,表现出很高的电催化分解水制氧活性。我们根据BV方程计算出反应的电子转移数,结合旋转环盘电极测试,推断Co3O4纳米薄片的析氧过程经历了两个两电子过程:2OHads→2Oads→OOHads→O2ads。在第一个两电子过程中,OHads生成OOHads;在第二个电子过程中,生成的OOHads继续被CoⅢ/CoⅣ快速分解成O2。这一结果很好的解释了铁系过渡金属催化剂同时具有较高的催化电流密度和塔菲尔斜率这一矛盾现象。电催化分解水制氧需要较高的氧化电位,在此电位下催化剂表面会形成一层氧化层,使得不同催化剂表面状态趋同。除了催化剂的表面结构外,体相的电子传输能力同样影响着催化剂活性。在论文第三部分,我们构筑了Co P//Co Ox@Co P非对称全解水体系。通过与其他钴基材料(如Co3O4和Co Ox@Co)电催化析氧活性对比,我们发现Co Ox@Co P具有更优异的析氧活性。XPS、Raman分析表明制氧过程改变了催化剂表面态,使得钴基材料具有相同的表面态。但是金属性的体相更有助于电子传输,从而提高材料的电催化活性。金属杂原子的引入可以增加载离子浓度,进而提高电催化活性。在本文最后部分,我们通过简单的共沉淀法制备了一系镍铁水滑石(Ni Fe LDH),比较发现Ni Fe LDH相对于氢氧化镍具有更高的电催化活性。进一步,我们利用静电作用将剥离的Ni Fe LDH薄片与氧化石墨(GO)组装,获得Ni Fe LDH/r GO复合物具有更多的活性位点,并具有较高的电子传输能力,明显提升了催化剂制氧活性。该材料暴露了更多的活性位点,并具有较高的电子传输能力,明显提升了催化剂制氧活性。