随着世界人口的逐渐增加和科学技术的迅猛发展,人们加剧了对能源使用的迫切要求。目前,地球上的能源主要来自化石燃料的燃烧,然而这些资源是不可再生的,对它们的滥用已导致了严重的温室效应等环境问题。鉴于以上问题,开发可以代替化石燃料的廉价,环保的新能源迫在眉睫。其中,氢能是热量高,产物无污染的可再生能源。推广氢能的使用可以减少对化石燃料的使用量,有效降低二氧化碳的排放量,遏制全球变暖的趋势。氢能最直接的制备方法就是水氧化分解。水分解反应通常包括水氧化和质子还原过程,从动力学角度来讲,水氧化过程包含缓慢的质子转移和O–O键的形成,是整个水催化反应的瓶颈。因此,开发出高效的水氧化催化剂尤为重要。多金属氧酸盐经过近二百年的发展,成为无机化学中一类应用广泛的簇状化合物,它们具有可调节的酸性,可逆的氧化还原性质,抗氧化性和优异的热稳定性。这些特殊的性质使其在催化领域研究广泛。仿照绿色植物光合作用中Mn₄CaO₅对水分解的催化作用,人们也在多金属氧酸盐中寻找结构相似的化合物作为水分解反应发生的催化剂。水氧化催化剂主要包括光催化剂和电催化剂,其中电催化剂是指在电极上施加反应发生的驱动力,在催化剂的作用下发生析氢和析氧反应。因此,寻找水分解的电催化剂一直是研究热点。尽管各种电催化剂被研究,找到具有高催化活性的水分解电催化剂是人们追求的目标。基于这一研究思路,我们选择了几种与Mn₄CaO₅具有类似结构的含有锰簇的多金属氧酸盐作为研究对象,将其应用到电催化水氧化过程中作为催化剂,分别研究了其在溶液和薄膜状态下的催化活性,目的是找到具有高催化活性的催化剂材料。1.我们合成了含有十六个锰的两种化合物,分别为Na_19.5Cs_8.5[Mn^Ⅲ₁₀Mn₆^ⅡO₆（OH）₆（PO₄）₄(A-ɑ-SiW₉O₃₄)₄]（Mn16–Cs）和Na₁₈Rb₁₀[Mn₄^ⅢMn^Ⅱ₁₂（OH）₁₂（PO₄）₄(A-ɑ-SiW₉O₃₄)₄]（Mn16–Rb）,它们具有相似的结构,但是含有Mn^Ⅲ和Mn^Ⅱ的比例不同。为了比较它们电催化水分解的催化活性,一方面,我们在中性的电解质溶液中分别测试了它们作为均相催化剂时水分解的析氧电流;另一方面,将它们与聚二烯丙基二甲基氯化铵和氯化三（2,2′–联吡啶）钌（Ⅱ）六水合物分别组装到电极表面制备成薄膜材料,然后在中性的电解质溶液中分别测试了它们作为多相催化剂时水分解的析氧电流。结果表明,在相同的催化条件下,Mn16–Cs的催化活性高于Mn16–Rb,氯化三（2,2′–联吡啶）钌（Ⅱ）组装的薄膜催化活性优于聚二烯丙基二甲基氯化铵组装的薄膜。此外,稳定性实验证实了薄膜材料在电催化水分解过程中具有较好的稳定性。2.我们研究了Na_19.5Cs_8.5[Mn^Ⅲ₁₀Mn₆^ⅡO₆（OH）₆（PO₄）₄(A-ɑ-SiW₉O₃₄)₄]（Mn16–Cs）和Na₁₈Rb₁₀[Mn₄^ⅢMn^Ⅱ₁₂（OH）₁₂（PO₄）₄(A-ɑ-Si W₉O₃₄)₄]（Mn16–Rb）与石墨烯制备的复合材料的催化活性。考察了活性组分浓度、薄膜厚度、组装方法对水氧化催化活性的影响。研究结果表明,在两种组装方法构筑的薄膜中含Mn16-Cs的组分膜均表现出较高的催化活性。而且电沉积法构筑的薄膜材料其活性与石墨烯的浓度及电沉积环数有关。对比两种组装方法,层层组装方法构筑的薄膜表现出较高的稳定性。3.我们合成了另外三种包含锰簇的多金属氧酸盐化合物,分别为Na_2.5K_4.5[Mn₃^Ⅱ（OH）₃（H₂O）₃(A-ɑ-SiW₉O₃₄)·15H₂O,K₄[Mn₃^Ⅲ（OH）₃（H₂O）₃(A-ɑ-SiW₉O₃₄)]·10H₂O和Na_3.5K_2.5[Mn₃^ⅢMn^ⅣO₃（CH₃COO）₃(A-ɑ-SiW₉O₃₄)]·20H₂O·NaCH₃COO·0.5KCH₃COO,并在相同实验条件下研究了它们在溶液状态下对水分解的电催化活性。结果发现,含有混合价四锰的化合物具有较高的催化活性。然后,我们将四锰化合物与Co₃O₄材料组装在电极表面制备了薄膜,相比四锰和聚二烯丙基二甲基氯化铵组装的薄膜而言,四锰和Co₃O₄组装的薄膜具有更好的催化活性。