地球上丰富的铁、钴、镍等过渡金属在酸性电解水制氢体系中极不稳定，因此，需将其封装到氮掺杂碳纳米管 (CNT)中。碳管封装后的过渡金属合金颗粒表现出长期耐用性和高活性，其电解水析氢活性接近40% Pt/C 催化剂，是一种可以替换贵金属铂的潜在材料。通过密度泛函计算，过度金属和氮掺杂，可以优化碳表层H原子的吸附，进而促进电解水析氢过程。

酸性介质电解水制氢的稳定性和效率问题长期制约其大规模应用。通过引入 “铠甲”结构并对其厚度进行优化，1-3层碳厚度的铠甲催封装非贵金属纳米合金，表现出最优异的电解水析氢活性。密度泛函研究表明，超薄碳层可促进电子从非贵金属纳米合金隧穿到碳层表面，且氮掺杂后，多种元素之间的协同效应可进一步激发表面电子密度，从而使其具有良好的析氢活性。

通过引入SBA模板，在合成过程中起到骨架支撑的作用，后期通过化学法将此支撑移除，解决了铠甲催化剂的分散性问题。在此基础上，制备了以系列一元、二元非贵金属单质 、合金铠甲催化剂，应用于电解水阳极。此类催化剂的催化活性优于商业lrO₂，其稳定性经过10000次循环试验后无明显衰减迹象。密度泛函研究表面，阳极析氧中间相可通过调节铠甲催化剂中金属的成分来优化，从而提高电解水阳极析氧活性。

过渡金属基铠甲催化材料是用于电解水析氧反应。通过优化其层内活性位点，通过高价金属掺杂，在三维纳米框架基础上最大限度的发挥其催化活性。该催化剂在2000 mA cm²的大电流密度下实现了前400 mV的超低过电位。密度泛函模拟表明，晶格掺杂中的钼原子可以与水分子发生强烈的吸附作用，从而优化析氧过程。

为了降低贵金属钌在酸性电解是阳极析氧反应中的用量，本研究通过石墨烯铠甲包覆微量钌掺杂镍基合金，可有效提高其酸性电解水效率，同时极大的减缓酸性条件下阳极的腐蚀作用。通过精确调控石墨烯与内层核心合金界面，其酸性析氧起始过电位仅为227 mV， 实现了比商业纯钌材料显着更高的耐久性。密度泛函理论计算表明 ，内核合金和石墨烯铠甲之间的界面进一步促进其氧吸附强度，从而增强材料析氧活性和抗腐蚀能力。