煤炭、石油和天然气等化石燃料的开采和燃烧产生了大量的温室气体和有害物质,不仅引发了能源危机,也带来了诸多环境问题。通过电解水将间歇性的风能和太阳能存储为氢能是解决能源和环境问题的重要途径。以铁、钴、镍为代表的电解水氧析出反应(OER)催化剂成为近来研究的重点。开发高效稳定的镍铁基(Ni-Fe基)OER电催化剂,是高电流密度电解水工业应用的重要前提。本文研究了三种新型的三维(3D)Ni-Fe基电催化剂:3D Fe0-NixSy/NF,3Dα-Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2/NF 和 3D r-FeOOH/α-Ni(OH)2,在多组分协同催化和强界面耦合作用下,实现了在碱性电解质中高电流密度的OER活性。本文通过3D泡沫镍(NF)与升华硫粉末之间的一步气固反应,实现了 3D零价铁与硫化镍双组分耦合纳米片负载在NF上。在这种3D复合材料中,尺寸约为2 nm的Fe0纳米颗粒均匀地锚固在平均厚度约为33 nm,侧面尺寸约为400 nm的NixSy纳米片上,并均匀地生长在NF上。所得的3D Fe0-NixSy/NF在1.0 M KOH溶液中显示出突出OER电催化活性,分别在1.57和1.60 V的电势下,实现了 1,000和1,500 mA cm-2的电流密度。在所有先前报道的硫化镍基OER电催化剂中,展现出最佳的催化性能,甚至优于商业基准的Ir/C催化剂。该催化剂优异的OER催化活性得益于Fe0和NixSy之间的协同效应以及3D Fe0-NixSy/NF的独特3D层状结构。3D Fe0-NixSy/NF复合电催化剂进一步与硅基光伏电池结合,实现高效的太阳能驱动全水分解。通过歧化反应在3D NF上生长的由Ni2P/Ni(PO3)2和Fe2O3组成的3D强界面耦合三元电催化剂。α-Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2颗粒的横向尺寸约为200 nm,纵向尺寸约为300 nm,均匀有序分布在NF上。3D α-Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2/NF在1.0 M KOH电解质中表现出高OER活性和强稳定性,在500和1,000 mAcm-2的电流密度下只需1.57和1.60 V的电势,在所有先前报道的Ni-Fe基磷化物/磷酸盐电催化剂中,展现出几乎最低的OER电势,甚至超过了商业基准Ir/C催化剂。突出的OER活性可归因于Fe2O3与Ni2P/Ni(PO3)2之间的协同作用和强界面耦合作用。原位拉曼光谱证实,在α-Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2中真正的OER活性中心是NiOOH和FeOOH。除了优异的OER活性和稳定性外,双功能3Dα-Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2 电催化剂在 100、500 和 1,000 mA cm-2 电流密度下,分别需要1.93、2.48和3.02 V的全水分解电压。通过快速还原法,开发了一种新型的结晶α-Ni(OH)2与无定型FeOOH强界面耦合二元异质结构,包覆在3DNF上。在这种异质结构中,粒径为～10 nm的r-FeOOH/α-Ni(OH)2颗粒均匀生长在3DNF表面上。所得的3D r-FeOOH/α-Ni(OH)2/NF材料具有强界面耦合作用,在碱性电解质1 MKOH中表现出优异的OER性能,电势在100,1,000和1,500 mA cm-2下分别为1.54,1.62和1.66V,几乎是先前报道的所有Ni-Fe基OER电催化剂中最低的电势,其电催化性能甚至优于Ir/C。通过准原位X射线光电子能谱和原位电化学拉曼光谱发现NiOOH相是OER的真正活性相。此外,双功能3D r-FeOOH/α-Ni(OH)2/NF在500和1,000 mA cm-2下提供了 2.32和2.78 V的全水分解电压。在本文中,通过3DNi-Fe基电催化剂提升了高电流密度下的OER性能,开发了一种制备Ni-Fe基复合材料的方法,有望应用于其他能量转化应用,例如H2析出反应,N2还原反应和CO2还原反应。