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电解水是制备清洁高效的氢能并实现能源转型的有效途径,而高效稳定的电催化材料的设计和开发却成了制约其规模化应用的瓶颈。钌（ruthenium,Ru）因为同时拥有突出的电解水析氢反应（hydrogen evolution reaction,HER）和析氧反应（oxygen evolutionreaction,OER）性能而受到广泛的关注。但是,Ru基材料在强酸性和高氧化电位条件下易形成可溶的RuO4,导致稳定性欠佳,因此,迫切需要寻找一种切实可行的方法来抑制Ru的溶解。通过纳米材料结构的设计和可控合成来进一步优化Ru基材料的活性和稳定性对于新能源材料的开发具有重要的意义。本博士论文聚焦Ru基纳米材料的可控合成,并深入研究了其微观结构对电解水性能的影响,为高效稳定的Ru基电解水催化剂的设计和开发提供了新的研究思路。主要的研究内容如下:1.利用湿化学方法和热处理工艺制备了一系列过渡金属掺杂的RuO2纳米线（nanowires,NWs）,通过详细的表征和分析发现,大量存在的缺陷和晶界能够提供充足的反应位点,促进催化活性的提升。经过实验测试发现,过渡金属掺杂的RuO2 NWs在酸性和碱性条件下均具有优异的OER和HER性能。理论计算表明,过渡金属的引入会优化d带中心和降低反应能垒,从而提高催化性能,该工作为后续高效稳定的Ru基纳米材料的设计和制备提供了实验和理论基础。2.以理论计算为指导,设计和制备了具有子弹轮廓的晶态和非晶态RuTe2多孔纳米棒（porous nanorods,PNRs）并应用于电解水领域。从电子-晶格耦合作用来看,短程无序有助于在全pH条件下提供高OER活性。因此,相比于其晶态对应物,非晶RuTe2 PNRs呈现出优异的电解水性能。更重要的是,当将其应用于两电极体系时,其性能明显优于目前报道的大多数催化剂。该工作重点研究了晶态和非晶态Ru基材料对电解水催化性能的影响,为电解水催化剂的设计和开发提供了借鉴意义。3.通过控制热处理过程成功在RuO2八面体间隙中引入了碳从而得到了具有间隙碳的RuO2空心纳米球（hollow nanosphere,HNSs）。即使在严苛的酸性条件下,其OER稳定性也可以维持50小时,远远超过了商业RuO2以及目前大多数文献报道的催化剂。深入的研究表明,间隙碳的存在不仅会拉长Ru-O键,而且还能降低反应能垒和提高*O的解离能,从而提高催化性能。该工作重点阐述了 RuO2中间隙碳的存在对酸性OER催化活性和稳定性的影响,为获得高效稳定的Ru基酸性电解水催化剂提供了新的途径。4.在上述研究的基础上,我们进一步用单位点的Pt取代了部分的Ru,得到了一种Pt掺杂的RuO2 HNSs并系统的研究了其酸性电解水性能。实验结果表明,Pt的引入不但能显著地提高Ru的HER催化活性,还能明显地增强其OER稳定性。当将其同时作为阴极和阳极的催化剂并构建成两电极时,其稳定性长达100小时,是目前文献报道值的3倍左右。该工作重点突出了单位点Pt原子的引入对RuO2在酸性电解水活性和稳定性方面的影响,为解决Ru基材料酸性电解水活性和稳定性难以兼顾的问题提供了新的方向。