随着全球化石能源消耗的逐渐增加,开发环境友好型的可持续能源引起了人们的广泛关注和研究。电解水技术是一种有效制备高纯氢气和高纯氧气的方法。然而,电解水反应被复杂的析氢析氧动力学过程所限制,这就需要高效的电催化剂来降低其过电位。目前,主要的高性能析氢电极材料和析氧电极材料分别为铂基催化剂和钌/铱基催化剂,然而其有限的储量和昂贵的价格极大地限制了全解水制氢和制氧的的大规模发展。因此,开发基于非贵金属的高效稳定的双功能电解水催化剂对于实现可持续清洁能源技术来说具有特别重要的意义。Ni基金属催化剂凭借着其来源丰富、稳定性强、具有独特的催化特性等优势,备受科研工作者的青睐。本论文致力于通过杂原子修饰的方法改性Ni基金属催化剂,对Ni基金属催化剂材料的微观形貌、物相组成和电子结构进行有效调控,改善Ni基金属催化剂作为双功能电解水催化剂的电催化性能,并结合DFT理论计算,为设计合成高效的双功能电解水催化剂提供了理论和技术支持。本论文的主要内容和结果如下:（1）本章节利用水热生长和氢气还原相结合的方法,在泡沫镍基底上原位生长了硫原子修饰的Ni/Ni₃S₂纳米片结构材料用于双功能电解水,实现了对电解水析氢析氧反应高效催化的有效统一。该催化电极的三维一体化结构和Ni/Ni₃S₂界面独特的电子性质,使得Ni/Ni₃S₂纳米片阵列结构催化剂在电解水析氢和析氧过程中都展示出高效的电催化性能。应用该方法制备的Ni/Ni₃S₂催化剂同时作为电解水的阴极和阳极,在电解水电流为10 mA cm^-2时其电压只有1.57 V,且在10 mA cm^-2的电流密度下加速老化50 h活性未出现衰减。通过不同硫化实验备得到了不同硫化程度的Ni/Ni₃S₂催化剂,实现了对金属Ni表面不同S原子覆盖程度的调控。电化学测试发现催化剂的活性随着S含量的增加先升高随后逐渐降低,XPS结果显示最佳的Ni/Ni₃S₂-2催化剂的S:Ni原子比为28.9%。DFT理论计算结果表明,硫原子的引入改变了催化剂中Ni的d带电子结构,使得S/Ni（100）上的ΔG_H*比Ni（100）的ΔG_H*更靠近于0,有利于催化析氢反应的进行。此外,催化剂在具有较低硫原子覆盖度（S:Ni=1:3）时具有最优的ΔG_H*,该结论和实验结果相互匹配。（2）本章利用水热法结合NH₃还原的方法制备得到了N原子精确修饰金属Ni的NiN纳米片材料。首先利用水热法在泡沫镍基底上原位生长Ni（OH）₂前驱体,随后在指定温度下进行NH₃还原,在泡沫镍基底上原位合成了NiN纳米片催化剂。该催化剂具有优异的电解水催化性能,其在HER电流密度为10 mA cm^-2时,过电位只有63 mV;在OER电流密度为20 mA cm^-2时,过电位只有320 mV;同时将NiN作为电解水的阴极和阳极时,在工作电压为1.59 V时就能实现10 mA cm^-2的电流密度,并且在100 mA cm^-2的电流密度下加速老化50 h仍保持相对稳定。为了探索催化剂活性和稳定性提升的原因,本实验通过改变NH₃还原温度,制备得到了不同氮原子覆盖程度的NiN纳米片催化剂。随着温度的升高,氮原子的含量先增加后减小,催化剂的活性也同样呈现出先升高后降低的趋势,且当N:Ni原子比为28.07%时NiN-400电极显示出最优的催化活性。DFT理论计算结果表明N原子的引入改变了Ni电极表面的化学状态及电子结构,NiN催化剂的ΔG_H*比金属镍的ΔG_H*更接近于0,显示出更优异的HER活性。在N:Ni原子比为1:3（33%）时,N/Ni（111）拥有最好的活性,该结果与实验最优的NiN-400催化剂的N:Ni原子比（28.07%）非常接近。