随着对化石燃料的需求和消耗增加,发展能量转化和存储技术迫在眉睫。电解水作为一种有效的能量转换技术已经吸引了极大的关注。水分解包括两个半反应:析氢反应(HER)和阳氧反应(OER),然而电极反应的缓慢动力学抑制了水分解的整体效率,导致产生过大的超电势。尽管一些贵金属基催化剂已显示出高效的电催化性能,但高成本和稀缺性阻碍了其商业化应用。因此,迫切需要开发价格低廉、高效稳定的过渡金属基电催化剂,其中,镍、钴作为地球上储量丰富的元素,已广泛用于电催化材料的研究。镍、钴基催化剂包括氧化物、硫化物、磷化物、层状双氢氧化物和金属有机框架等多种形式,有望取代贵金属基材料成为新一代电催化剂。本论文以镍、钴基材料作为研究对象,采用离子调控策略制备出具有高活性的电催化剂,同时探索了其催化机理。本论文具体研究内容如下:(1)我们以Co3O4作为前驱体,通过简单的氢气处理将丰富的氧缺陷限制在Co3O4纳米颗粒中。氧缺陷的引入使Co3O4中部分钴的价态从Co3+降到Co2+,由于Co3O4四面体框架中的Co2+往往会形成活性物质羟基氧化钴,因此提供更多的活性位点。此外,电导率测试证实随着氧缺陷的含量增加,电子传输能力增强。基于缺陷工程对活性位点和电子结构同时优化,使得富氧缺陷Co3O4在碱性条件下展现出良好的OER电催化活性和稳定性。(2)我们通过一步煅烧法将氟离子(F)限制在三维泡沫镍中,从而构筑一个简单的平台用于研究F在OER过程中的作用。F的强负电性有利于建立弱的金属-氟键,在OER过程中发生表面自重构以形成氧化镍/氢氧化镍活性物质,进而增强电催化性能。与裸泡沫镍相比,F修饰的泡沫镍在碱性介质中具有更优异的OER催化活性和稳定性。此外,我们又将该方法扩展到其他镍基催化剂(F-NiAl LDH-NF)以提高催化活性,从而证明该方法的普适性。(3)我们以泡沫镍作为基底和镍源,通过一步水热法在泡沫镍(NF)上原位生长出Ni(OH)2纳米片的同时完成了微量Ir掺杂。Ir的引入有效调控纳米片形貌的形成,赋予其高的比表面积以及暴露更多的活性位点,因此其催化HER和OER的活性和稳定性得到了显著的提升。在碱性介质中将Ir-Ni(OH)2@NF分别作为阴极和阳极驱动全解水,其产生10 mA·cm-2所需电势仅为1.54 V。