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随着经济和科技的快速发展,社会对能源的需求不断加深。传统化石能源的消耗和燃烧带来的环境问题急需解决。因此,开发出一种清洁、可再生的新型能源代替传统的化石能源是非常迫切的。在各种替代能源中,建设以氢为主要载体的能源基础设施,将大量能源与各种最终用途连接起来,可以实现安全、清洁的能源未来。电解水制氢是一种将电能直接转换成氢能的方法,兼具高效、无污染等特点,是一种极具前景的制氢技术。然而,由于电解水过程中电子的转移存在动力学能垒,导致实际电解水过程中所施加的电压高于理论电压,从而使得电解水系统的整体效率极大的降低。因此,降低电解水过程中所需要的过电势,是目前电解水制氢领域研究的重点。本文通过原子掺杂改性实现了片层过渡金属化合物析氢反应(HER)或析氧反应(OER)催化活性的提升。借助热力学更加有利的水合肼电化学氧化反应(HzOR)实现了制氢效率的提升。具体研究内容如下:一、P-CoCO3/CF用于节能电解水制氢。我们首先通过水热法在泡沫钴基底上制备了 CoCO3纳米片,然后以CoCO3纳米片作为前驱体通过退火的方式实现了P原子的掺杂。制备的P-CoCO3/CF同时表现出优秀的HER、OER和HzOR催化性能。在1 M KOH溶液中,达到电流密度为10 mA cm-2时,HER和OER所需要的过电势分别为46.1 mV和275 mV。使用P-CoCO3/CF制备的两电极电解体系,达到电流密度为100 mA cm-2时,需要槽电压1.77 V。在1 M KOH和0.3 M N2H4溶液中,达到电流密度为100 mA cm-2时,HzOR所需电位仅为-42.3mVvs.RHE。使用热力学更有利的HzOR代替OER过程作为阳极反应,制备的两电极体系表现出更加高效的析氢效率,达到电流密度为100 mAcm-2时,仅需要槽电压0.13 V。同时,此电解体系可以保持良好的稳定性。以固定50mAcm-2的电流密度进行稳定性测试18h后,体系电压仅仅升高了 59.2mV。二、Fe-doped α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2用于全电解水。我们通过一步水热法制备了Fe-doped α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2。在120 ℃的反应温度时,Fe可以诱导生成α-Ni(OH)2。Fe-doped α-Ni(OH)2-120表现出优秀的OER性能和良好的稳定性。在240 ℃的反应温度时,Fe可以诱导生成β-Ni(OH)2。Fe-doped β-Ni(OH)2-240第一次表现出优秀的HER性能。Fe-doped β-Ni(OH)2-240优异的HER性能可以归因于β-Ni(OH)2-240固有的HER性能及Fe原子的掺杂。使用Fe-doped α-Ni(OH)2-120作为阳极,Fe-doped β-Ni(OH)2-240作为阴极组建的电解体系表现出高效的制氢效率。槽电压为1.54 V时,便可产生10mA cm-2的电流密度。同时,此电解体系表现出良好的稳定性。