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利用光或电能实现水的分解制氢气获得洁净能源,是应对当前社会能源危机和环境问题的重要解决途径之一。虽然贵金属材料(Ir、Ru、Pt)具有较高的催化水分解的活性,但是它们的地球储量低、价格昂贵,极大的限制了其在工业生产中的大规模应用。因此,开发各种成本低廉、催化性能稳定、高效的非贵金属材料来替代贵金属催化剂,是当前制备洁净能源领域的研究热点。铜作为第一周期过渡金属元素中的一员,在电催化水分解方面的研究却一直都比较少,尤其是将铜基异相催化剂材料用于催化水氧化产氧领域,在本论文的前期工作发表之前尚未见报道。因此,本论文主要围绕设计、合成各种铜基异相催化材料,并针对它们在电催化水分解方面的催化性质开展了一系列的研究工作。第一章是本论文研究内容的综述。首先介绍了当前社会面临的严峻的环境问题和能源危机,接着阐述了自然界中光合作用的原理和光系统Ⅱ中释氧中心的结构,再分类介绍了贵金属催化剂和非贵金属催化剂在电催化水分解领域的发展进程,最后详细介绍了目前铜基材料在电催化水分解体系中的研究进展。第二章分为两节,第一节研究了以铜-吡啶配合物作为前驱体,用于电催化水氧化的性质。结果表明,在催化水氧化的过程中,铜-吡啶配合物会分解成为氧化铜(CuO)纳米材料,并发现该CuO纳米材料才是真正的水氧化催化剂。这是电催化水分解领域中,第一例关于铜基异相催化剂材料用作电催化水氧化的研究。第二节以铜-乙二胺、铜-丙二胺配合物为前驱体,沉积得到不同形貌的CuO纳米材料,研究其在电催化水氧化方面的性质。结果表明,铜-乙二胺为前驱体时沉积得到的CuO催化剂的催化性质与第一节中的结果相比得到大幅提高,在1.0 M KOH电解液中,达到1.0 mA/cm2和10 mA/cm2的催化电流密度对应的过电势仅为～370 mV和475 mV,产氧法拉第效率高达>95%。第三章分为三节,第一节介绍水热法合成不同形貌的CuO材料(微米球、纳米片、纳米线),并研究形貌对其电催化水氧化性质的影响。结果表明,CuO纳米线的催化性质最好,其在0.1 MKBi(pH 9.2)缓冲液中的起始过电势为～340 mV,达到0.1 mA/cm2和1.0 mA/cm2的催化电流密度对应的过电势为～430和550 mV,Tafel斜率为54.4mV/dec。第二节介绍在FTO工作电极表面原位生长、再经高温煅烧的方式得到电催化水氧化性质增强的CuO材料。结果表明,随着煅烧温度的提高,样品的催化性质也得到了明显的提升。其中,性质最好的为500℃煅烧温度下得到的材料,在1.0 M KOH电解液中,达到1.0 mA/cm2和10 mA/cm2的催化电流密度对应的过电势仅为430 mV和580 mV,其Tafel斜率为61.4 mV/dec。第三节研究了采用熔融法制备的CuO纳米片材料的电催化水氧化性质。结果表明,在900 ℃时制得的CuO纳米片的催化性质最好。当催化剂负载量为0.70 mg/cm2时,达到10 mA/cm2的催化电流密度所需的过电势仅为420 mV。当将其与MWCNTs进行复合后,在保证催化性质不变的前提下,CuO的负载量下降到仅为0.14 mg/cm2。第四章研究了在FTO工作电极上原位生长得到的Cu2O/FTO电极材料。在含0.1M醋酸铜和醋酸钠的水溶液,分别在-0.17V和-0.23 V(vs.Ag/AgCl)电压下沉积得到两种不同形貌的Cu2O/FTO材料。其中,在-0.17 V电压下沉积得到的是一种比表面积比较大、活性位点更多的枝状晶体,其电催化水氧化的性质也最好。经过长时间的电解后,Cu2O材料会逐渐变成真正的水氧化的催化剂CuO。在0.1MKBi(pH9.2)缓冲液中的起始电位为0.92 V(vs.Ag/AgCl),达到0.1 mA/cm2的催化电流密度对应的过电势为～430 mV,Tafel斜率为59.9 mV/dec,产氧法拉第效率高达>93%。第五章研究了铜-乙二胺配合物作为前驱体时的电催化水还原的性质。在0.1 MKOH电解液中,电沉积得到了树叶状Cu(0)材料。该材料在中性缓冲液(0.1 M KPi,pH 7.0)中的起始过电势仅为70 mV,达到1.0 mA/cm2的催化电流密度对应的过电势仅为157 mV,产氢的法拉第效率高达>97%。而且,该树叶状的Cu(0)材料在强酸性(0.5 MH2SO4,pH 0.4)和强碱性(1.0 MKOH,pH 13.6)的电解液中,同样具有高效、稳定的催化活性。第六章研究了铜基材料用作电催化水分解的双功能催化剂的性质。在0.1 M KBi(pH 9.2)缓冲液中,以铜-吡啶配合物作为前驱体时,在一定的还原电压的条件下,沉积得到由Cu20和Cu(OH)2混合组成的铜基材料(H2-CuCat)。该材料不仅可以电催化水还原产氢,还能在氧化电压下,电催化水氧化反应制氧。研究表明该产氧材料由Cu2O、Cu(OH)2和CuO组成。在电催化水还原和水氧化过程中的起始过电势分别为450 mV和～330 mV,其电催化产氢和产氧的法拉第效率分别为～100%和～97%。第七章对本论文的工作进行了总结,并对铜基异相材料在电催化水分解领域的研究工作进行了展望。