随着能源危机和环境污染问题的日益加剧,迫切需要开发可再生和可持续的新能源。氢气具有清洁、高效、可存储、廉价和易得等优点,被认为是最具发展潜力的二次能源。电解水制氢气是一种简单、绿色、高效的氢气制备方法,然而电解水缓慢的反应动力学导致高的过电位和低的效率,因此需要设计和开发高催化活性和高稳定性的电解水催化剂。电解水在阴极和阳极分别发生的两个反应,即电催化析氢反应（HER）和电催化析氧反应（OER）。目前最常用的HER和OER催化剂分别是贵金属（Pt）和贵金属氧化物（IrO₂和RuO₂）,但其高的成本和有限的储量限制了广泛应用。钴基催化剂具有低成本、环境友好和原料来源丰富的优点,被广泛用于电催化裂解水制氢气,然而作为双功能催化剂还存在催化活性低和稳定性差的问题。本论文围绕高效钴基金属磷（氮）化物双功能催化剂开展研究,设计合成了两种高催化活性和长寿命的钴基磷化物和氮化物复合双功能催化剂,揭示了其HER、OER和全解水的电催化性能,主要的内容和创新点如下:1、通过水热法在导电碳布基底上合成W掺杂的Co（CO₃）_0.5（OH）·0.11H₂O纳米针前驱体,然后通过磷化处理制备了W掺杂的CoP（W-CoP/CC）纳米针。电化学测试表明,W-CoP/CC在0.5 M H₂SO₄和1 M KOH电解液中表现出优异的HER催化活性,在10 mA cm^-2电流密度下的过电位分别为32和77 mV,对应的塔菲尔斜率分别为57和65 mV dec^-1。此外,在1 M KOH电解液中W-CoP/CC催化剂也表现出优异的OER活性,在10 mA cm^-2电流密度下的过电位为252 mV,对应的塔菲尔斜率为74 mV dec^-1。将W-CoP/CC作为双功能催化剂用于全解水,在10 mA cm^-2电流密度下的水分解电压为1.59 V,在20 mA cm^-2的电流密度下测试20 h后其电压基本不变,显示出优异的稳定性。密度泛函理论（DFT）计算表明W的掺杂使CoP对水的吸附能变大,吸附氢的吉布斯自由能更接近0 eV,表现出较高的催化活性。W-CoP/CC纳米针原位生长在导电的碳布基底上,避免了粘结剂使用导致的串联电阻增加、活性位点减少和离子扩散速率减缓等缺陷。此外,碳布表面垂直生长的W-CoP纳米针,提供了充足的空间促进气泡的析出和离子的扩散,促进了反应动力学;同时W的掺杂调控了催化剂表面对水的吸附能,促进水的活化,加快质子/电子的转移,有利于Volmer过程形成吸附氢原子和氢气脱附,因此W-CoP/CC表现出优异的电催化性能。2、在碳布基底上,设计合成了负载Co_5.47N纳米颗粒的VN纳米片(VN-Co_5.47N/CC)。Co_5.47N纳米颗粒原位偏析在多孔的VN纳米片上,多孔二维VN导电基底能够提供较大的电极材料与电解液的接触面积以及快速电子传输通道;原位偏析在VN片上的Co_5.47N纳米颗粒增加了电化学活性位点;多孔的二维结构有利于催化过程中气泡的溢出以及离子的传输。受益于结构优势,VN-Co_5.47N/CC催化剂在1 M KOH电解液中具有较好的OER和HER催化活性,在10 mA cm^-2电流密度下的过电位分别为310和118mV,对应的塔菲尔斜率为61和114.2 mV dec^-1。将其作为双功能催化剂用于电解水,该电解池在10 mA cm^-2电流密度下的水分解电压为1.645 V,同时在10 mA cm^-2的电流密度下经过20 h的测试后电压基本上不变,显示出优异的催化稳定性。