化石能源的消耗和对环境的危害,促进人们去开发清洁环保的新能源（氢能,太阳能,风能等）,同时降低能源使用过程中的浪费。电解水的阴极析氢（HER）、阳极析氧（OER）反应是能源存储（氢能）和转换（降低浪费）重要部分。电解水阴极析氢反应是制备高纯度氢气的重要方式之一;阳极的析氧反应不仅是电解水的半反应之一,同时也是参与燃料电池以及金属-空气电池的重要的反应进程。目前,商业化的Pt（Pt/C）和Ir/Ru O₂分别具有较好的HER和OER性能,但是其资源的短缺,昂贵的价格,稳定性差,是大面积推广生产应用受限的重要因素。近些年,研究发现一些储藏丰富的过渡金属复合材料表现出一定的催化能力,并且在稳定性上表现优异,价格比较低廉。鉴于此,本研究在简单、低成本的合成工艺基础上,制备出多种过渡金属复合材料,包括过渡金属氧化物,硫化物,磷化物等,并且深入分析了电催化反应的活性和机理。此外,鉴于负载型的催化剂需要将电极涂覆的工艺和构建Nafion或PTEE等粘结剂的加入导致工艺复杂和增加成本。因此本文设计一系列自支撑性的电极材料作为催化剂,可以降低电极制备成本,同时自支撑型的材料可以充分暴露材料的结构优势,提高催化效率。工作如下:1.合成了一种过渡金属硫化物析氢催化剂,以商业化的泡沫镍为模板和反应原材料,采用一步水热的方式制备Mo S₂/Ni S的分层异质结构。制备Mo S₂/Ni S异质结构实验过程中,通过加入不同比例的Mo源和乙酸钠的量来控制分层的Mo S₂纳米片的含量和Ni S纳米棒的粗细和长度。归因于异质结构的优势是能够充分暴露催化的活性位点,Mo S₂和Ni S分层的结构产生协同效应和形成具有丰富的化合价态,形成足够多的活化中间体,在HER反应过程中,获得84.1m V(10m A·cm^-2时)的过电位,Tafel斜率仅为76.9m V·dec^-1的优异性能。2.主要制备一种具有缺陷的Co,Mo氧化物,并研究其在析氧（OER）中的应用,首先将酸处理过的碳纤维布浸在含有Co,Mo前驱体的水热反应釜中,水热合成后的含结晶水的钼酸钴纳米阵列均匀负载在碳纤维布上,并在马弗炉内400℃下脱去结晶水得到Co Mo O₄纳米片阵列。鉴于材料表面改性优化性能的策略,在催化剂表面制造缺陷是一种有效提高催化剂活性的方式。通过在氩气/0.1%水蒸气混合物中大气压等离子体射流（APPJs）处理,Co Mo O₄纳米片表面出现了本征微缺陷。这种特殊的湿气压等离子体处理暴露了不均匀的多孔缺陷位点,形成了更多参与反应的活性位点,促进了中间产物（M-OH/MO-OH）生成,提高了OER的动力学速率。3.为发展下一代的电解水催化剂,开发一种同时具有析氢和析氧高性能催化材料是十分有必要的。鉴于过渡金属Co,Mo氧化物在电催化上的优势,以及通过改变形貌和本征特性的方式。可以通过掺杂的策略将Co-Mo-P掺杂进入Co-Mo-O的结构中,不仅可以提供丰富的化学态,而且杂化改善晶格之间电子耦合作用。因此,Co-Mo氧化物基础上,在350℃下掺P得到Co-Mo-P复合物,该催化剂作为析氢催化剂获得的过电位只有51.2 m V(10m A·cm^-2时),具有接近Tafel的理论动力学过程。同时,析氧反应催化剂获得较低的过电位353m V在10m A·cm^-2时,并且tafel斜率只有55.2m V·dec^-1。因此,在20小时稳定性测试过程和3000次CV测试之后仍保持较好的稳定性,并且作为电解水的阴阳极,实现全水解的过电位只有1.603V(10m A·cm^-2时)是性能优秀的全水解电催化剂。以上的三个章节主要通过异质结构,制造本征缺陷,表面形貌修饰以及掺杂改性策略,围绕过渡金属氧化物（TMOs）,硫化物（TMSs）和磷化物形式（TMPs）来开发一系列的过渡金属催化剂,解释了材料在催化过程中的机理,高稳定性和低内阻损耗,为未来进一步开发氢能和燃料电池的研究提供了一种思路,从而推动能源的进步与发展。