电解水因其高能量转换效率和对环境友好被认为是解决能源危机和环境污染的最有效的方法之一。然而,其面临的主要挑战是制备高效的催化剂以降低阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）的高能量势垒。迄今为止,贵金属铂基和铱基催化剂仍被认为是最有效的HER和OER催化剂,但其高成本和稀缺性严重限制了它们大规模应用。因此,人们一直致力于开发具有催化活性高和耐久性强的低成本非贵金属电催化剂以取代贵金属电催化剂。近年来,二维纳米材料得益于其独特的物理和化学性质,比如大比表面积和高度暴露的表面活性位点,已在电催化领域引起了广泛关注。然而,这些材料在催化过程中的本征催化活性仍不如贵金属电催化剂,需要对其制备方法、表面结构和电子结构等进一步优化。鉴于此,本博士学位论文以层状双金属氢氧化物（LDHs）、金属有机框架（MOFs）和二硫化钼（MoS2）等二维纳米片为主要研究对象,通过缺陷工程,表面调制以及构建异相结构等策略,设计和制备了一系列非贵金属电催化剂,研究了它们在电解水过程中所起的催化作用和效果,利用密度泛函理论（DFT）计算分析了其电子结构与催化性能之间的构效关系。主要研究内容如下所述。（1）采用简单且绿色的双氧水刻蚀法,在泡沫镍（NF）上制备了具有多孔结构、氧空位（Ovac）和Ni3+缺陷的超薄镍铁层状双氢氧化物纳米片（NiFe-LDH-NSs/NF）。得益于上述三种缺陷的协同作用,优化后的材料在1 M KOH溶液中表现出很好的电催化OER性能。当电流密度为10 mA cm-2时,其过电位低至170 mV,塔菲尔斜率仅为39.3 mV dec-1。DFT计算表明该催化剂出色的电催化OER性能来自Ovac附近再氧化的Ni3+,它在抑制Ni位点3d-eg组分的同时促进了 d带向更低的电子转移势垒偏移。（2）通过金属离子交换和阴阳离子之间相互作用的表面调制策略,制备了一种新型超薄镍基MOFs纳米片（NiFe-MOF-BF4-NSs）,该材料可用作很好的OER电催化剂。在1 M KOH溶液中,优化后的NiFe-MOF-BF4--0.3 NSs显示出较好的电催化OER活性。在10 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度下,其所需过电位分别为237 mV和278 mV,塔菲尔斜率为41 mV dec-1且具有良好的稳定性。实验表征和DFT计算结果表明,金属阳离子（M）和阴离子（BF4-）在NiFe-MOF-BF4--0.3 NSs表面上的相互作用（表示为M…F,M=Ni或Fe）不仅可以防止纳米片的重新堆积,而且还能调节金属中心的电子结构以优化电催化OER过程中的中间体吸附能,降低电位决定步骤的能量势垒,从而显著提高催化OER活性。（3）采用溶剂热法在泡沫镍（NF）上制备出了由MoS2、Co9S8和CoMoS3.13三相构成的复合催化剂。由于组分间的协同作用,优化后的催化剂（Co-Mo-S-2/NF）分别在1 M KOH和1 M PBS溶液中展现出良好的电催化HER活性和稳定性,仅需77 mV和96 mV过电位就可获得10 mA cm-2的电流密度,经过3000次循环伏安测试后阴极电流密度的损失可忽略不计。当用作OER催化剂时,Co-Mo-S-2/NF在碱性条件下显示出很好的电催化OER活性,电流密度为50mA cm-2时,其过电位为294mV,同时在10 mAcm-2电流密度下经过120h稳定测试后电位无明显衰减,体现出良好的稳定性。综上所述,本学位论文通过对二维纳米材料的结构进行设计和优化,制备出了一系列高活性的OER和HER电催化剂,为二维纳米材料电催化剂在电解水中的应用提供了新的思路,同时也为进一步设计高效的电催化剂提供了有益指导。