随着人口的增长和化石能源的日益枯竭,人类社会正面临日益加剧的能源危机和环境危机。开发无碳排放、无污染的新能源代替传统化石燃料已经势在必行。氢气（H2）由于具有极高的能量密度并且是一种无任何碳排放的清洁能源,成为了代替传统化石燃料的最佳选择之一。由于电能可通过多种可持续能源获得,如太阳能、风能等。电催化电解水成为了高效制备氢气的理想手段之一。然而当前的电解水催化剂由于其表面缓慢的反应动力学严重限制了电能转换成氢气的效率。在各类电解水催化剂中,贵金属的催化性能最佳,但其昂贵的价格增加了电解水制氢的成本,不利于大规模应用。因此要利用电解水的方法达到大规模制氢从而减少碳排放的目的,就必须开发经济实用且具有高催化活性的电解水催化剂。基于上述原因,本文主要利用界面工程策略,通过构筑异质界面的方法,辅以元素掺杂、形貌调控、缺陷设计等手段,通过调控催化剂的电子结构来调控催化剂对于反应物的吸附脱附能力来进一步提升电催化剂的催化性能和稳定性。本论文设计制备了一系列自支撑过渡金属基电解水电催化剂,为过渡金属基电催化剂的整体设计和电解水的进一步发展应用提供了一定的思路和指导,具体研究内容如下:1.Fe掺杂海胆状Ni2P/Ni3S2异质结用于高效稳定电催化全解水研究本章制备了一种新型的过渡金属Fe掺杂的Ni2P/Ni3S2（NPZFNS@C/NF）异质结。以金属有机框架（MOFs）作为前驱体电沉积在泡沫镍（NF）上,通过热解的方法在异质界面上成功构建了包覆的碳层。由于异质界面和碳层的构筑,NPZFNS@C/NF获得了独特的电子结构和d带中心。得益于其独特的电子结构,NPZFNS@C/NF电极拥有极高的析氧（OER）和析氢（HER）活性。在电流密度为10 m A·cm-2的碱性介质中,NPZFNS@C/NF电极OER的过电位为141 m V,HER的过电位为129 m V。此外,将该催化剂同时作为阴极和阳极用于全解水时,其全解水电位仅为1.5 V,低于大多数非贵金属基电解水电催化剂。密度泛函理论计算进一步证实含碳层的异质界面能进一步优化OER和HER过程的吉布斯自由能。2.自支撑N掺杂C耦合非晶态-晶态NixN/Ni2P异质结电极的高效全解水性能研究本章设计制备了一种原位生长在泡沫镍上的非晶态-晶态NixN/Ni2P异质结锚定在N掺杂碳上的自支撑NixN/Ni2P@NC-NF电极。通过异质结的构筑和不同氮源的使用优化了催化剂的电子结构和d带中心,得到了含缺陷的N掺杂碳基底,其中性能最优的NixN~2/Ni2P@NC-NF电极在碱性条件下表现出优异的HER和OER活性,在10 m A·cm-2的电流密度下仅表现出47 m V的超低HER过电位和210 m V的OER过电位。值得注意的是,将NixN~2/Ni2P@NC-NF同时作为阳极和阴极进行全解水时,仅需要1.49 V的电压就能够驱动10 m A·cm-2的电流密度。此外,在碱性介质中,当电流密度为10 m A·cm-2进行全解水反应时,NixN~2/Ni2P@NC-NF至少能够保持120以上的稳定性,显示出其超强的循环稳定性能。密度泛函理论计算也证实异质结的构筑能有效调控催化剂的电子结构和d带中心,进而降低了决速步的吉布斯自由能从而促进了电催化活性。3.超亲水MgO/Ni Co2S4异质结在中性电解质中的高效析氧反应研究中性电解质中的析氧反应（OER）由于H2O的附加吸附和解离过程的存在,相比于碱性条件下的OER更加困难。本章通过在碳布上原位构建MgO和Ni Co2S4异质结构,成功制备了一种新型的碳布上生长的MgO/Ni Co2S4异质结构（MgO/NCS-CC）。由于异质界面结构的构筑,以及水合效应促进（HEP）元素Mg的引入,催化剂电子结构得以优化,使得表面对水的吸附性能增强。在10 m A·cm-2电流密度的中性条件下,MgO/NCS-CC表现出145 m V的超低过电位,其稳定电催化OER超过40 h。密度泛函理论计算表明MgO/Ni Co2S4异质结构能有效调节催化剂的电子结构并能增强对水分子的吸附,从而进一步优化反应过程的吉布斯自由能并提升中性OER的活性。