近年来,太阳能、风能等清洁的能源已经开始逐渐普及。然而,这些种类的能源会受到每日和季节性的间歇性和区域变化,在目前储能技术还不够完善的情况下,可能会制约这些能源的使用效率,从而引发一系列的能源短缺问题。解决这个问题最有前景的方法之一是将不稳定的能源转化为相对较为稳定的化学能,氢能作为一个能量密度高较为稳定的能源可以满足这些需求。电催化分解产氢是制氢的一个重要的手段,其半反应产氧反应同样可以用来制备大量的氧气,是绿色高效无污染的清洁能源。目前面临着的难题是,适用于双功能全水分解的催化剂研究还显得不够虽然贵金属元素如Pt,Ir和Ru等催化性能较好,但是价格昂贵并且地球储量稀少,开采困难,限制了催化剂的大规模应用与商业化并往往只能用于单侧催化。过渡族金属相对来说价格较为低廉,并且地球上资源储备丰富有望成为低廉而且高效的催化剂,其中Ni基催化剂相对拥有优秀的电导率,地表储备丰富并且获取较为容易。由此,开发研究以方法简单,廉价并且性能优秀的过渡基底的双功能催化剂材料是研究的核心问题。针对上述问题,本文首先总结了低成本高效率制备全水分解催化剂需要考虑的设计原则。首先,为降低成本,催化剂的材料选为Ni基金属催化剂;由于传统的涂敷方法制备催化剂容易脱落且稳定性不够好,工艺较为繁杂,选择采用原位生长的方式制备催化剂;由于双功能催化剂可以节约生产成本,而适用于双功能催化的催化剂目前仍然较少,决定制备双功能全水分解催化剂。最后,为提升催化剂的性能,采用了不同的研究策略如空位工程以及异质结工程,并相对于耗时较长的催化剂合成优化了合成方法首先,考虑到空位对活性位点的引入以及对电子结构的影响,本文采用了以碳布为基底,利用水热法,化学气相沉积法和硼氢化钠还原的方法原位制备出Ni基硫化物催化剂,通过工艺参数优化确定最佳的还原时间,成功得到了引入硫空位的NiS催化剂。所得样品在HER仅需164mV即可达到10mAcm-2的电流密度,比未引入S空位的降低了26mV,在OER仅需240mV即可达到10mAcm-2的电流密度,比未引入S空位的降低了44mV,全水分解仅需1.67V的电压可以达到10mAcm-2的电流密度。通过光电子能谱说明确定Ni2p的峰发生了较大的偏移,说明了空位的引入对电子结构的调节作用。通过密度泛函理论计算进一步说明硫空位可以增加对应位点的电荷密度,有利于对应位点的电子传输效率提升,从而使得样品导电性的得到了改善硫空位的引入更有利于H+的吸脱附,从而提升了活性位点的本征活性。进而,为了进一步简化合成,增加样品的全水分解性能,制备双功能催化剂,引入了多价态的钒元素,提出了制备含Ni与V两种金属阳离子的异质结催化剂策略。通过水热法和化学气相沉积法,原位合成了自支撑NiS/VS纳米催化剂。在钒引入后催化剂仍然保持纳米片形貌。在HER一侧仅需的电位为158mV即可达到10mAcm-2电流密度,OER的电位为240mV,同时,双电层电容说明多价态的钒元素的引入带来了更多暴露的活性位点,继而提升了催化活性。当NiS/VS在双电极电解池中,在1.64V的低电压下可以达到10mAcm-2电流密度,并表现出优秀的稳定性,异质结的界面带来了强烈的电子耦合作用,有利于催化性能的提升。NiS/VS展现出了优秀的催化性能。最后,为了避免使用工艺时间长,副产物多,污染高,耗能大的合成策略,优化了合成方法与合成路线,引入Rh元素,通过简单的原位腐蚀法原位制备出Ni基纳米催化剂。Rh的引入带来了催化性能的提升,粗糙的块体表面提升了样品的活性面积,有利于活性位点的暴露。在HER一侧,仅需65mV就可以达到10mAcm-2的电流密度,比未引入Rh的降低了169mV;在OER一侧,仅需260m V就可以达到10mAcm-2的电流密度,比未引入Rh的降低了103mV。用于全水分解,仅需1.56 V的过电位即可达到10mAcm-2的电流密度,表现出了优异的全水分解性能。本论文针对原位自支撑催化剂存在的高成本,适用性较差的情况作出对策,为快速合成高效的镍基双功能全水分解催化剂提供了十分有益的经验。