水分解是产生清洁能源的有效途径。水分解反应通常涉及两个半反应,即氢气生成反应（HER）和氧气生成反应（OER）,反应过程均涉及多步电荷转移,需要研制高效的催化材料以克服动力学势垒,促进反应发生。本论文主要从结构、组成和界面方面设计了系列OER和HER的催化电极材料,取得如下研究成果:发展了一种温和氧化和掺杂的方法制备了三维氮硫双掺杂的石墨泡沫。该石墨泡沫具有较高的导电性和强度,层间具有大孔结构,能够促进离子传输和气泡脱附,且具有优异的电化学活性,能够直接作为自支撑导电电极。在碱性溶液中,其催化OER的性能优于大多数报道的碳基催化剂。发展了一种简单快速的电化学方法制备了三维镍铁（NiFe）/石墨烯复合电极。该复合电极具有交叉开孔的网络结构,有利于活性位点的充分暴露、电解液离子的传输和产生气泡的脱附。在碱性溶液中,其催化OER的反应活性、动力学性能和稳定性均远远优于传统的二氧化铱催化剂。发展了一种精确可控的电沉积方法,在硅（Si）电极表面制备了一层超薄的NiFe合金。此NiFe合金可以同时作为Si电极的保护层和催化层,并有效改善了Si电极和电解液界面,为NiFe/Si界面提供了大的能带弯曲,为NiFe/电解液界面提供了高的空穴注入效率。因此,该光阳极具有优异的光电催化OER性能,在碱性溶液中,一个太阳的光照下,其催化OER的起峰电位比普通电催化提前620 mV,且能在弱碱性溶液中持续工作100 h以上。通过水热方法制备了两种晶型的氢氧化镍（Ni（OH）₂）,将其作为共催化剂吸附在铂（Pt）电极表面得到了Ni（OH）₂/Pt复合电极。其中,β-Ni（OH）₂由于与水分子具有强烈的氢键相互作用,且与Pt基底具有强烈的电荷转移作用,因而大大提高了复合电极在碱性条件下催化HER的活性和稳定性。发展了一种普适的、可工业化生产的方法制备了大面积的石墨烯-双金属薄膜。该复合膜具有优异的导电性、柔性和强度,能够直接作为催化电极使用。在极低的电极载量下,该复合膜仍具有优异的催化OER和HER性能,大大提高了活性中心的转化效率。组装的两电极全解水体系具有极低的电池电压和优异的稳定性（200 h以上）,其性能远远优于商用Pt/C||IrO₂体系。