由于传统能源的过度使用,随之带来了环境污染和能源危机等亟待解决的世界性问题,因此清洁可再生能源的开发和利用得到越来越多的研究人员的关注。其中开发和利用电催化剂催化水分解是将电能转化为清洁的可持续的化学能的最有效方式之一。电催化分解水的效率与催化剂材料的组成与结构直接相关,目前大都采用贵金属基材料(如Pt,IrO2等)作为催化活性材料,由于贵金属价格高昂且储量稀少,设计和制备高效、稳定、低廉的非贵金属基电催化剂成为进一步发展电解水制氢技术的关键。本论文工作一方面通过构筑过渡金属氧化物等级纳米结构,提高电极担载活性材料利用效率,优化电荷传输途径,充分暴露活性位点;另一方面,通过引入其他过渡金属元素,构筑双金属/三金属氧化物复合材料,优化其电子结构,促进参与反应物质在表面的吸附与解离。综合利用微纳米结构构筑与界面组分调控的协同作用,提高析氢、析氧以及水分解反应的催化速率。具体工作如下:(1)NiFe2O4/Ni(OH)2多级纳米结构的构筑及电解水性能研究。在水热腐蚀泡沫镍表面的过程中,加入三价Fe离子前驱体,在Fe3+的辅助活化下,通过优化反应条件,调控泡沫镍表面的组分与微结构,获得了具有三维多孔纳米结构的NiFe2O4/Ni(OH)2复合电极材料。结构与性能测试表明,NiFe2O4/Ni(OH)2多级纳米结构表现出良好的界面接触,这种NiFe双金属氧化物复合材料的构筑有效地改变了催化水氧化反应中的反应路径,即反应路径转变为两电子H2O2氧化步骤。反应路径的转变有效地加速了表面反应的速率,在1.0M KOH碱性电解液中,其OER塔菲尔(Tafel)斜率仅为25mV dec-1,达到10 mA cm-2电流密度时的产氧过电位仅为129 mV,表现出优异的水氧化电催化活性。(2)NixCo1-xMoO4@CoMoO4等级结构阵列的构筑及电解水研究。通过水热法活化多孔泡沫镍表面,获得表面Ni(OH)2改性的活化泡沫镍,在此基础上成功构筑了 NixCo1-xMoO4@CoMoO4三维等级结构阵列。相较于直接在泡沫镍上生长的单组份CoMo4纳米棒阵列,NixCo1-xMoO4@CoMoO4等级结构由垂直生长的一维CoMoO4纳米棒和水平生长的二维超薄NixCo1-xMoO4纳米片复合而成。在该电极材料中,1D纳米棒确保电极内部的电荷转移并为等级结构提供结构支撑;二维NixCoOuxMoO4纳米片一方面增强了径向电荷转移和提供了更多的活性位点,另一方面Ni的引入有效地优化了其电子结构,加速了表面水分解速率。基于微纳米结构调控与组分调控间的协同效应,该复合电极材料表现出优异的析氢、析氧及全解水催化活性。在1.0M KOH碱性电解液中,达到1010mA cm-2电流密度时,HER和OER的过电势(η10)分别仅需61和180 mV;在全解水体系中,该复合电极仅需要1.46 V的电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度并且工作超过30000 s仍保持稳定,超过目前报道的大多数过渡金属基电催化剂。