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随着传统化石能源的急剧消耗与污染物排放的增加,能源与环境问题成为本世纪的重大挑战。氢能作为一种二次能源,主要优点在于能量密度高、来源丰富、燃烧产物只有水,被认为是取代传统化石能源的最佳候选之一。电解水析氢(Hydrogen Evolution Reaction,HER)过程清洁高效,且可以直接使用风电、光电等能源形式,因此采用电催化水分解制氢成为近期研究的热点。虽然铂族元素具有优异的电催化析氢活性,但是昂贵的价格严重限制了其规模化应用。开发性能优异且价格低廉的电解水析氢催化剂成为亟待解决的问题。近年来,二维层状材料因其在电催化产氢领域的优异表现而走进人们的视野,其中层状金属氢氧化物(Layered Metal Hydroxides,LMHs)因其在碱性环境中的高稳定性而备受关注。LMHs层内金属阳离子与层间阴离子可以调控,具有丰富的化学属性,以LMHs为基础衍生复合材料还可以实现功能的叠加或性能的增强。目前提升LMHs催化性能的主要途径是将其超薄化来获得高比表面积以及增加不饱和配位产生的丰富的活性位点。尽管一些超薄LMHs已在催化领域中表现出较高活性,然而超薄LMHs的精确制备仍是高难度的课题,此外其在HER领域的作用机理及效能也有待进一步研发。超薄LMHs巨大的潜力促使我们以其制备及其在电催化产氢领域的应用为着眼点展开研究。本论文围绕LMHs的超薄化制备展开了以下工作:以钼酸根插层的氢氧化镍为前驱体制备超薄1T-MoS2/NiS2复合材料;探索了 NiRu氢氧化物超细纳米线、NiVRu氢氧化物超细纳米线的制备;并系统研究了上述材料制备机理及电催化产氢性能。主要研究内容如下:(1)利用层状氢氧化物的层间阴离子可交换性,以钼酸根离子插层的氢氧化镍为前驱体制备了 1T-MoS2/NiS2复合物。其中通常条件下难以获得的金属相1T-MoS2在材料总MoS2中占比高达83%。该材料在碱性条件下显示出了良好的催化析氢性能及稳定性。(2)为了获得高活性位点数、高性能电解水析氢催化剂,制备了一维形貌的层状材料。以泡沫镍为基底,实现了宽度仅为2～5 nm,长度达到200 nm以上的NiRu-LMH超细纳米线的制备。极大提高了材料暴露的活性位点数和质量传输效率。HER性能研究表明,其性能已经达到商业Pt/C催化剂水平,在电流密度为10 mA cm-2时的过电势仅为16 mV,Tafel斜率也只有40 mV dec-1。且该材料具有很高的碱性环境稳定性。(3)设计了一步水热法合成泡沫镍支撑的负载单原子Ru的NiV双金属氢氧化物超细纳米线(NiVRu-LDH/NF)。其宽度为2nm,长度可达200nm以上。V的加入提升了材料的导电性,NiVRu-LDH/NF纳米线的HER活性大幅超越商业Pt/C,在电流密度为10 mA cm-2时的过电势仅为6 mV。其优异的HER活性主要来自其高的比表面积、原子级分散的Ru、多金属的协同作用以及较高的电导率。对照实验研究揭示NiVRu-LDH超细纳米线的生长是以取向连生(Oriented attachment,OA)的方式进行,进一步拓展了 LDH一维化的理论研究进展。