随着经济的快速发展和人口的急剧增加,人类对于能源的需求也越来越大。但持续依赖不可再生的化石燃料不仅造成能源枯竭,而且由此带来的环境污染问题也日益严重。人类开始意识到寻找清洁可再生能源对于社会可持续发展的重要性,并开始利用太阳能和风能等清洁能源。其中,氢能以其能量密度高和环境友好的特点被认为是最具潜力的能源载体,而电解水则是得到高纯氢气的重要手段。除了在阴极发生的析氢反应(HER),电解水还包括在阳极发生的析氧反应(OER),二者缓慢的反应动力学导致了过电位较大,水电解池的能量转换效率较低等问题。因此,发展高效电催化剂加快反应进程对于减小过电位,降低能耗来说至关重要。现阶段,发展较为成熟的HER和OER催化剂分别是商业Pt/C和Ru/Ir基催化剂,但其稀缺的储量和昂贵的价格必然会增加成本,限制其进一步的应用。基于以上讨论,本论文就如何减少贵金属用量,降低成本以及开发非贵金属催化剂方面开展实验,通过调控材料的组分、形貌和电子结构,实现了催化剂反应活性和稳定性的提高。主要研究内容如下:1、通过一步湿化学还原法合成了一系列Ni@RuM(M=Co或Ni)核壳结构纳米晶(NCs),用作碱性条件下高效水分解催化剂。该系列NCs均以金属Ni为核,壳层为组分可调的RuNi或RuxCoy合金。核壳结构的设计不仅减少了贵金属Ru的用量,而且不同组分的合金壳引发的电子效应能够增强其催化性能,使产物具有较高的质量活性。具体地讲,Ni@RuNi NCs在过电位为70 mV(相对于可逆氢电极,vs.RHE)时,对于HER的质量活性达1590 mA mgRu-1,是商业Pt/C的近两倍(950mA mgPt-1);对OER而言,过电位为330mV vs.RHE时,核壳Ni@Ru0.4Co0.6NCs(270 mA mgRu-1)的质量活性比商业 Ru02(89mA mgRu-1)高三倍。我们进一步以Ni@RuNi NCs为阴极,以Ni@Ru0.4Co0.6 NCs为阳极组装为水电解池,取得了良好且稳定的水分解效果。2、利用水热反应在导电基底泡沫镍(NF)上原位生长Mo,S共掺杂的NiSe纳米片组装体(Mo,S-codoped NiSe/NF-160NSs),用于催化碱性介质中的HER。其中,Mo和S的掺杂能够实现对NiSe的形貌和电子结构的双重调控。Mo源的存在对NiSe片层组装体的形成必不可少,而S的引入则进一步调节产物的电子结构,使其有利于HER的发生。因此,我们得到的Mo,S-codoped NiSe/NF-160 NSs在1 M KOH中表现出优异的HER性能,仅需要88 mV vs.RHE的过电位就能达到10 mA cm-2的电流密度,同时还具有较小的Tafel斜率(82 mV dec-1)和良好的稳定性。3、以生长在NF上的碱式碳酸钴(CCHH)为基底,通过原位电化学的方法向其中引入了原子级的Fe元素(Fe-CCHH)。相关表征证明,Fe在CCHH中是以“单原子”形式存在的。而后续的实验表明,Fe的掺杂能在保持CCHH的形貌和晶型不变的前提下调控其电子结构,使Fe-CCHH的OER性能和稳定性得到极大的提升。我们进一步通过改变电化学处理的时间得到了 OER性能最好的材料,为Fe-CCHH/NF-30,当电流密度为50 mA cm-2时,其过电位仅为230 mV vs.RHE。另外,它还能够在大电流密度下(～55 mA cm-2)保持电流恒定长达130 h,反映了 Fe-CCHH/NF-30具有超长时间稳定性。4、在研究非贵金属催化剂的过程中,我们也得到了一些过渡金属硫属化合物的超小纳米点,如MoS2和MoSe2纳米点,并研究了它们在光学和光热转换方面的性质。我们制备的超小MoS2具有很好的荧光性质,且对溶液pH敏感,可作为溶液pH的分析传感试剂;另外,我们利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)保护的MoSe2纳米点的良好的光热转换能力,达到了较好的光热治疗癌细胞的效果。