氢能兼具来源广、燃烧热值高、能量密度大、产物环保和零排放等优点,被认为是一种理想且极具应用潜力的化石燃料替代品。发展氢能源最重要的就是开发高效低成本的制氢技术,在现有的主流制氢技术中,电解水制氢以制备条件温和、生产方式灵活安全、制氢纯度高等优点,受到广泛关注。而电极材料是电解水制氢技术中的核心问题,因此,设计开发高效、廉价和来源丰富的非贵金属类催化材料成为氢能研究领域的重要课题。本文采用简单的水热-热解法、微波等离子体法制备了一系列氮掺杂碳材料,并将其作为电极材料,研究了其电化学析氢性能。主要内容如下:首先采用二茂铁和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料,通过简单可控的水热法制备氧化铁纳米粒子均匀分散的聚合物凝胶,再在尿素的辅助下高温热解制备氮掺杂碳层包覆的碳化铁（Fe₃C/N-doped carbon）纳米粒子。着重探讨了热解温度对合成的纳米粒子的微观结构和电催化析氢性能的影响,以及氮源投入量对氮掺杂碳层的形成及对电催化析氢性能的影响。当热解温度为400℃时,产物仅含无定形碳的结构,无碳化铁纳米粒子形成,同时这种结构因暴露出的活性位点有限,表现出较差的电化学析氢性能;随着温度升高至800℃,XRD、XPS以及HRTEM分析表明因C-N键分解以及碳化反应的进行产物中形成了以碳化铁为核、氮掺杂碳为壳的典型核壳结构的纳米粒子,证实了合适的热解温度可促使块状无定形碳向纳米核壳结构的碳化铁转变,提高产物的结晶性,并且这种Fe₃C/N-doped carbon产物材料表现出较好的氢气析出反应（HER）性能,稳态的LSV曲线表明驱动10 mA cm^-2的电流密度时仅需211 mV的电位,低于其他热解温度条件下的获得的产物,其优异的电化学活性主要源于特殊核壳结构产生的碳化铁和氮掺杂碳的协同效应;进一步升高温度到1200℃,XRD和XPS分析表明物料中发生的碳热还原反应将使碳层附近的碳化铁还原成单质铁,产物中形成碳包覆的铁-碳化铁核壳结构,其电化学析氢反应性能变差,同样驱动10 mA cm^-2的电流密度所需电位升高至272 mV,电催化活性降低。在确定优化的热解温度（800℃）后,进一步通过改变外加氮源的投入量制备不同氮含量的Fe₃C/N-doped carbon并比较其HER性能。XRD和XPS分析结果表明外加氮源的引入在不影响产物的物相组成和结构的同时,显著提高材料中的氮含量,还以吡啶氮和石墨氮的形式实现氮的有效掺杂;HER性能结果表明,Fe₃C/N-doped carbon较Fe₃C/Carbon发生析氢反应时过电位降低（约28 mV）,表明吡啶氮和石墨氮的掺杂可提升产物的HER活性。针对以来源丰富、廉价的天然碳源为原料制备异质原子掺杂的碳基电催化材料,选择本地黄杨灌木芯髓为生物质原料,采用化学活性高、升温速度快、可控性好的氮气等离子体作为热源和离子引入源进行碳化及异质原子掺杂同步处理,着重考察了微波处理时间对碳化和异质原子引入效果以及最终对HER反应效率的影响。结果表明,经短短15 min的氮等离子体处理即可实现黄杨灌木芯髓的碳化,形成了无定形的碳材料,其电催化析氢反应的过电势较高,驱动10 mA cm^-2电流密度需要737 mV的电极电位。进一步延长微波等离子体处理时间至1 h,所得产物相应驱动10 mA cm^-2电流密度时的电位仅仅略有下降（689 mV）,表明延长处理时间产物从材料到性能变化不明显,氮等离子体处理在短时间内即可获得碳化和氮掺杂较为完全的物质。本文通过简单的水热-热解两步法及独特的微波等离子体处理技术,制备了两类结构和电催化析氢性能不同的异质原子掺杂碳纳米材料。其中具有独特核壳结构的Fe₃C/N-doped carbon纳米粒子电催化活性明显高于天然碳源的氮等离子体处理产物,但后者具备处理迅速简便、成本低廉的优势。两种技术方法均是高效、低成本获得来源丰富的非贵金属电解水催化剂的有效途径。