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作为零碳可再生能源,氢能是一种重要的新能源。在现有的制氢方法中,电解水制氢是最绿色、最简单的方法。由于直接电解水的过电势较高,需要用电化学催化剂以降低过电势并加速氢的产生。基于贵金属的材料是电解水的出色催化剂,但资源短缺和价格高昂限制了贵金属催化剂的大规模生产和使用。因此,发展廉价且高活性的非贵金属催化剂对电解水制氢的广泛应用具有重要意义。基于钴和镍等非贵金属材料的电解水催化剂受到了广泛的关注。本论文以钴和镍作为活性材料,辅以硼、磷、铁、钨等元素以调控钴/镍的催化活性,并用简单的超声辅助合成或者电化学合成等方法制备了多种具有特定纳米结构的电化学催化剂,包括由纳米晶组装成的纳米粒子、非晶多元素空心纳米粒子、纳米片阵列等,并详细研究了它们在碱性和中性溶液中催化电解水的性能。本论文包括以下五章内容:第一章是绪论,详细介绍了电解水制备氢气的历史和意义,以及产氢(HER)电极和产氧(OER)电极上的反应类型和基本原理。然后分别介绍了不同结构形貌的钴基产氢催化剂和产氧催化剂,以及设计合成这些催化剂的不同条件。最后介绍了基于不同催化剂的电解池,以及双功能催化剂组成的电解池体系,这些电解池可以与光电池串联起来,实现了光能转换成氢能储存。在第二章中,我们通过超声辅助化学还原法合成了镍纳米晶组装的纳米颗粒(Ni-SP)。钨(W)作为非3d高价元素的添加,以及非金属硼(B)和磷(P)作为低价元素的添加,可以调节氢在活性中心的吸附能,从而实现有效的析氢反应(HER)。在中性pH磷酸盐缓冲溶液中,Ni-SP仅需要38和214 mV的过电势就可以产生10和100 mA·cm-2的电流密度。在100 mA·cm-2的条件下制氢10小时后,Ni-SP的催化活性保持不变,与Pt/C相比,Ni-SP在中性pH缓冲溶液中具有更高的稳定性。在第三章中,我们通过超声辅助化学还原法,在非金属B和P和金属W作为添加剂存在的情况下,合成了 Ni掺杂的Co空心纳米颗粒(CoNi-HNP)。在中性pH磷酸盐缓冲溶液中,CoNi-HNP在417 mV的过电势下可实现400 mA·cm-2的大电流密度。在中性溶液HER电催化剂中,CoNi-HNP是现有的最稳定,活性和效率最高的非贵金属电催化剂。在第四章中,我们用超声辅助化学还原法无模板合成了多元素(Co,Ni,Fe,W,B,P)无定形空心纳米粒子(PE-HNP),可作为催化OER和HER的双功能电催化剂。在碱性溶液中,对于HER,PE-HNP在195 mV的低过电势下可获得1200mA·cmD-2的高电流密度;对于OER,将PE-HNP原位氧化形成PEO-HNP,在309 mV的低过电势下达到1200 mA.cm-2的高电流密度。在高电流密度下进行20小时HER或OER测试后,PE-HNP和PEO-HNP的活性保持不变,分别显示出比贵金属电催化剂Pt/C和IrO2更高的活性和稳定性。PEO-HNP|PE-HNP电解槽需要1.85 V的电池电压来驱动400 mA·cm-2的高电流密度,这比IrO2 |Pt/C电解槽(400 mA.cm-2的驱动电压为2.15 V)要好得多。在第五章中,我们通过电化学方法合成了富含氧空位的多金属纳米片阵列,作为催化OER和HER的双功能电催化剂。由于多金属组份、氧空位和多孔纳米片结构,CoFeNiO-NSA和CoFeNi-NSA催化剂在KOH溶液中具有良好的稳定性以及非常好的OER和HER性能。CoFeNiO-NSA和CoFeNi-NSA电极组装成的电解池比贵金属电解池IrO2| Pt/C的活性和稳定性更好。通过电化学方法原位合成纳米片阵列是适用于大面积制备电化学催化剂的合适技术。