随着人们对美好环境的向往日益增长,发展氢燃料汽车再一次被提上了新的高度,这直接促进了氢燃料汽车相关产业的迅速发展。尤其是制氢产业,据统计我国2030年加氢站数量将达到1000座,届时人类对氢燃料的需求将会更加迫切。在众多的制氢方法中,电解水制氢以制氢纯度高、操作方便等优点得到了广泛的认可。同时通过与风能、潮汐能、核能以及太阳能等清洁能源发电手段结合可以实现100%的零污染,从根本上解决能源与环境的问题,由此可以看出电解水制氢势必会成为未来工业制氢的主流方法。电解水制氢装置中最核心的组成部分是其催化电极材料,采用高效的催化电极材料可以有效克服阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)的固有活化障碍,节约耗能,降低制氢成本。因此研究开发高催化活性、价格便宜、持久稳定的催化电极是当今电解水制氢领域的重中之重。本论文以非贵金属磷化物为研究对象,设计并制备出了一系列具有核-壳复合异质阵列结构的纳米催化电极。运用多种现代表征手段详细研究了反应条件对催化电极的结构、形貌、元素成分及价态的影响规律,同时重点对其电催化性能(HER、OER)进行了系统的研究和分析,并阐释了这种复合异质结构催化电极的高效催化反应机理。在此基础上,将制备的高效催化电极组装成电解水制氢装置并将该装置与传统发动机结合,提出了一种新型的汽油发动机掺氢掺氧燃烧工作模式。采用GT-Power模拟软件对该燃烧模式下发动机的工作过程进行模拟,并对相关参数进行了优化分析。本论文的具体研究内容如下:1)采用高导电的柔性碳布同时作为生长基底和集流体,运用水热、磷化等合成方法成功制备出一系列Fe掺杂的CoNi0.5P纳米分等级阵列结构电极材料,通过改变Fe元素的掺杂量巧妙地实现了纳米催化电极材料微观形貌的有效调控,使其从纯纳米线阵列结构逐步转变成纳米线-纳米片并存的分等级阵列结构,并最终转变成纯纳米片阵列结构。这种化学组成成分和形貌结构上的变化进而实现了对其电解水催化性能的有效调节,电化学研究结果表明其中具有分等级线-片并存阵列结构的CoNi0.5Fe0.125P催化电极具有最优的的内在催化活性和导电性能,以及更多的反应活性位点,因此其表现出了优良的电催化活性。在HER和OER过程中,该CoNi0.5Fe0.125P催化电极分别仅需74 mV和290 mV的过电位就可以达到10 mA cm-2的电流密度。2)在上述磷化物纳米阵列结构电极材料的研究基础上,通过采用采用水热、高温烧结、电沉积和磷化的合成方法,设计并成功制备出了一系列具有核-壳复合异质阵列结构的Ni2P纳米颗粒包覆Co0.5Fe0.5P纳米线催化电极(Ni2P@C0.5Fe0.5P,CWNF)。该复合异质阵列结构发挥了核、壳催化电极材料之间的协同催化效应,同时通过简单地改变电镀过程的时间可以有效调节核-壳组成比例,从而可以对其协同催化效应进行优化,进一步提升整体催化电极的双效电解水催化活性。研究结果表明电沉积时间为20 min时制备出的催化电极(CWNF-20)具有最优的电解水催化性能。在HER和OER过程中,其分别仅需68 mV和270 mV的过电位就可以达到10 mA cm-2的电流密度。虽然该性能仍弱于贵金属催化电极,但明显高于上文中的CoNi0.5Fe0.125P催化电极。3)为了更好地发挥复合异质阵列结构核、壳催化电极材料间的协同催化效应,分别对核、壳催化材料的化学组成及晶体结构进行了优化设计。以具有高导电性的自支撑Mn掺杂Ni2P纳米片阵列结构晶体材料作为核催化剂,可以加速电子从集流体传递到催化剂上;同时采用电化学活性比表面积极大的非晶膜状NiO薄片作为壳催化剂,以更好的被电解液浸润并提供更多的催化反应活性位点。因此这种非晶/晶体核-壳复合异质阵列结构催化电极(A-NiOx/Mn5-Ni2P)拥有极其优异的双效电解水催化活性,其仅需1.54V的电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度,已经超越了 Pt/C‖IrO2/C贵金属催化电极的组合。4)将制备的具有最佳电催化性能的非晶/晶体核-壳复合异质阵列结构催化电极组装成电解水制氢装置,并将此装置应用于传统的汽油发动机系统中,设计开发出了一种新型的汽油发动机掺氢掺氧燃烧模式。采用GT-POWER软件对该燃烧模式下发动机的工作状态进行仿真分析,研究结果表明相比于纯汽油以及汽油掺氢燃烧模式,该汽油掺氢掺氧燃烧模式赋予了发动机更好的燃油经济性、动力性能以及排放特性。