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随着人口的不断增加,可持续能源的需求日益增加。氢能作为一种绿色的可持续能源,被视为最具发展前景的清洁能源。电催化电解水被广泛作为一种简单、易操作的制氢方法,主要由两个半反应组成:阴极发生析氢反应(HER),阳极发生析氧反应(OER)。贵金属Pt和金属氧化物(比如,Ir O2和Ru O2)被认为是最有效的析氢和析氧催化剂,但其高成本,资源短缺等缺陷严重地阻碍了它们的大规模应用。因此,开发出既能析氢又能析氧的双功能催化剂迫在眉睫。而设计高效、耐用的电解水催化剂的关键原则在于大量的活性位点、优异的导电性以及稳定的催化活性结构。围绕以上几点设计原则,本文的主要研究内容如下:(1)我们报道了一种可靠简易的阴离子交换法,将一维(1D)Co3O4纳米线(NWs)转化成多孔磷化钴纳米线(Co P PNWs)。值得注意的是,这种反应过程使得所合成材料Co P PNWs具有大量的缺陷位点,从而赋予Co P PNWs更高的电化学活性面积;因此,Co P PNWs作为双功能催化剂具备优异的析氢、析氧性能,仅需147m V,326 m V的过电位就能达到10 m A cm-2的电流密度。我们也证明了仅需1节1.5 V的AA电池就能驱动以Co P PNWs作为阴极和阳极催化剂的电解水电解池。简易、低成本的合成策略,高的析氢、析氧活性等优点,使Co P PNWs有望成为最具潜力的电解水催化剂。(2)我们报道了一种Ru-Ru O2/CNT纳米复合物,在各种p H介质下表现出超高的析氢、析氧活性。系统的表征和理论计算证明Ru很可能和Ru O2、CNT具有协同作用,共同促进电催化活性。基于这种双功能催化特性与广泛的p H可行性,我们搭建了一种能得到电化学中和能的不对称电解质电解池。这个电解池在0.73V的电位下即可达到10 m A cm-2的电流密度,远远低于在传统电解池中电解水的理论热力学电压值1.23 V,意味着相对于传统电解池中不可避免的过电位,不对称电解质电解池降低了近一半的能耗。