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氢是理想的清洁能源和重要的化工原料,全世界对氢的需求逐年增加。电解水制氢由于其绿色(水为反应介质和氢源)、条件温和、可持续(可直接利用太阳能等可再生能源)的特点,具有广泛的应用前景。目前性能最优异的电催化剂为贵金属催化剂如Pt和IrO2、RuO2等。但是,贵金属较低的储量和高昂的价格极大地阻碍了它们的大规模应用,所以开发价格低廉、催化活性高、稳定性好的非贵金属催化剂显得很有必要。镍基过渡金属氢氧化物因其优越的电化学活性和稳定性,以及易于制备等特点,在电催化释氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)和释氢反应(Hydrogen evolution reaction,HER)等方面受到了广泛的关注。泡沫镍(Nifoam,NF)自支撑过渡金属催化剂,因其催化剂与基底间的紧密结合,提高了催化剂与基底之间的结合力,可以防止催化剂在高电流密度下的脱落,从而能够显著提高催化剂的稳定性,具有很强的工程实用性。同时,多元过渡金属催化剂因其充分利用元素之间的协同作用,调控活性位点的电子结构,提高催化剂的催化活性而得到广泛研究。因此,本论文利用自支撑过渡金属催化剂和镍基多元金属氢氧化物的优点,以提高催化剂的电催化性能为目的,通过调控元素组分和比例,制备和系统研究了一系列二元、三元镍基过渡金属氢氧化物和硫化物电催化剂。本论文的主要内容和结论如下:(1)通过离子共沉淀法,在泡沫镍基底上制备了不同金属组分和比例的镍基二元氢氧化物纳米片阵列结构催化剂:NiMn-OH/NF、NiW-OH/NF和NiAl-OH/NF。其中,NiW-OH/NF-2具有最优的碱性OER性能,在300 mA/cm2过电势为381 mV,Tafel斜率为47.3 mV/dec,并且能够在300mA/cm2的恒电流测试中保持良好的稳定性。在Mn、Al和W金属元素中,因W具有较高的配位能力,使催化剂电子结构优化,因此OER性能提升显著。(2)在二元催化剂的基础上,为了进一步地提高镍基氢氧化物的OER性能,利用离子共沉淀法成功地制备出一系列镍基三元氢氧化物催化剂:N iMnW-OH/NF、NiMnZn-OH/NF和NiMnAl-OH/NF,并研究了其电催化产氧性能。其中,具有代表性的NiMnW-OH/NF-2催化剂展现出最优异的OER催化性能,其达到300 mA/cm2电流密度所需要的过电势仅为337 mV,Tafel斜率为37.3 mV/dec,并且能够在300mA/cm2的恒电流测试中保持良好的稳定性。通过Ni、Mn、W之间的协同作用,有效调控了活性位点的电子结构,使其具有最优的Tafel斜率,从而加快其反应速率。(3)通过水热法将S元素成功引入二元氢氧化物纳米片阵列,制备了自支撑镍基硫化物催化剂:Al-Ni3S2/NF、Mn-Ni3S2/NF和W-Ni3S2/NF,并系统研究了硫化后催化剂的形貌变化以及对其电催化产氢性能的影响。其中,W-Ni3S2/NF具有最佳的HER性能,达到-300 mA/cm2的过电势为347 mV。为了考察催化剂电催化分解水实际应用的可行性,以所制备的性能最佳的OER和HER催化剂:NiMnW-OH/NF和W-Ni3S2/NF分别作为阳极和阴极电极,在1.0MKOH溶液中构建了的双电极全解水电解槽。在400 mA/cm2的工业级电流密度下,NiMnW-OH/NF||W-Ni3S2/NF表现出良好的全解水性能,所需的电压仅为2.06 V,能量效率为60.77%,并且能够在400mA/cm2的恒电流测试中保持良好的稳定性,表明NiMnW-OH/NF||W-Ni3S2/NF催化体系在电催化分解水领域具备一定的应用潜力。本论文制备了二元及三元过渡金属氢氧化物纳米片阵列结构,探究了不同金属组分及比例的催化剂对OER性能的影响。同时,研究了硫化前后,S元素对催化剂的形貌及HER性能的影响规律。进一步地,在1.0MKOH溶液中构建了NiMnW-OH/NF||W-Ni3S2/NF双电极全解水电解槽,研究了其在大电流密度下的外加电压和能量效率。基于多元素的协同作用,优化活性位点电子结构,通过组分和形貌的调控,有效降低了电催化分解水反应的过电势,实现电催化全分解水的高能量转化效率。本论文为合理设计多金属镍基自支撑催化剂提供了新的思路,为实现镍基催化剂在电催化分解水的实际应用提供了更多的选择。