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氢能来源广泛、单位质量燃烧热值居各种燃料之冠、清洁无污染、应用范围广,是未来最具发展潜力的清洁能源之一。电解水制氢技术工艺过程简单高效,与传统的化石能源重整方法相比,在制取高纯氢气方面独具优势,与水电、光伏电力、风电等可再生能源耦合时可大幅度减少碳排放,是迎接全球“氢能经济”时代最具前景的制氢技术方向之一。高能耗是制约电解水技术规模化应用的瓶颈性难题,对大量高纯淡水的高度依赖亦使此技术在干旱、海域及其周边地区难以应用。低成本、高效率的非贵金属催化剂之设计创制是电解水过程节能降耗、降低成本的重大需求与关键技术。近年来发展的非贵金属电解水催化剂之性质功能多囿于理想状态下的单一电化学环境,对体系酸碱性、化学组成等条件高度敏感,难以应用于组成性质复杂多变的实际水体环境。针对这一难题,本论文对基于二维过渡金属碳化物（MXene）的非贵金属电催化剂的设计构筑,及其在复杂pH条件及海水环境中的电解水析氢应用进行了系统探索,获得以下结果:利用葡萄糖等生物质分子在MXene表面的化学修饰与原位界面聚合,发展了高效稳定MXene表面化学结构的新方法,解决了 MXene表面亚稳态金属原子易氧化失活的问题,为MXene在常规合成手段如水热、回流、高温煅烧等过程中的应用提供了技术保障。在生物质分子修饰过程中同步引入钼源与硫源,在MXene表面实现高活性、高稳定性纳米分级多孔阵列结构的构建,所得MoS2/T3C2Tx-MXene@C电催化剂在0.5 M H2SO4中具有类铂的析氢活性与优异稳定性,其催化活性优于基于石墨烯与MoS2的同类结构催化剂。融合MXene、氮掺杂碳与钴钼双金属碳化物、稀土掺杂磷化钼等催化析氢活性相,发展了适用于全pH范围与海水的多相多功能电催化界面新体系。基于氮掺杂碳与催化析氢活性相之间的电荷转移降低原子氢吸附能与水分解能垒;利用MXene高效分散活性相纳米晶,实现不同pH条件下各异氢源前驱体的高效吸附并加速界面电子传输;利用纳米碳结构提升催化剂稳定性。获得的Co0.31Mo1.69C/MXene/NC催化剂在全pH范围具有类铂催化活性,在pH 2.2-11.2范围内活性优于Pt/C催化剂,直接应用于海水电解析氢时寿命比Pt/C催化剂延长64倍。获得的La0.17Mo0.83P/PC/MXene催化剂在海水中达到10 mA cm-2电流密度仅需158 mV过电势,并可稳定工作400 h以上。利用MXene在太阳光谱频域内的强吸光性质与局域表面等离子体共振效应,发展了利用光-物质相互作用激发MXene界面载流子浓度与寿命,从而调控其电化学析氢反应热动力学行为的新策略。发现了可见-近红外光场中不同组成结构的MXene显著的光热转化与亚皮秒级热电子激发与注入现象,在全pH范围内揭示了光热效应对MXene电化学析氢反应的热化学效应与浓差极化过电势的消除机制,阐释了亚皮秒级热电子效应降低MXene析氢反应活化能的过程机理。这一光场强化机制使不同类型MXene在全pH范围内的电催化析氢活性显著提升。