氢能绿色、无污染，是未来最理想的新能源。水在自然界中广泛存在、最易获取，直接催化电解水制氢气是获取氢能的重要途径。水电解制氢涉及阴极析氢和阳极产氧两个半反应，反应动力学的限制要求提供高于理论分解电压的过电势来加速两极反应，导致严重的电能损失。本论文开发出了廉价的钴-炭复合催化剂，巧妙地利用不同价态钴金属对析氢与析氧性能的差异分别作为阴极和阳极电催化剂，并利用金属与氮掺杂炭材料的复合极大地提高了催化剂的导电性与稳定性，实现了在低过电势下高效、稳定催化水分解制备氢气和氧气。该工作的开展为开发廉价金属-炭复合催化剂提供了新思路，有望为电解水工业提供廉价、高效、持久的电催化剂。

氢能因热值高、原料水来源广泛、产物无污染，成为未来最理想的新能源。21世纪，我国和美国、日本、欧盟等都制定了氢能发展规划，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。碱性电解水因其纯度高、无污染是最早商业化的电解技术。目前高效制备氢气的催化剂依然是铂系贵金属催化剂，然而铂的稀有性和高昂的价格限制了它的广泛应用，这就需要我们探索价格低廉、高效率的廉价金属催化剂。

金属钴在自然界广泛存在，价格低廉，钴对于氢的脱附具有较低的能量障碍，因此是理想的制氢催化剂。钴的氧化物对于氧气的生成也表现出较好的性能，但是纯的金属氧化物导电性低，容易聚集和失活。氮掺杂多孔炭材料具有高的比表面积及高导电性，利用它做载体可以很好的解决钴氧化物聚集和失活的问题。

目前合成的催化剂只能作为单电极制备氢气或着氧气，那么我们能否设计出一种催化剂既能制备氧气又能制备氢气呢，甚至是组装成碱性电解池？本论文充分利用单质钴，钴的氧化物和氮掺杂碳的优异性能，通过一步煅烧法合成了钴炭复合催化剂（CoOx@CN）。这种催化剂的单质钴被碳包覆，钴的氧化物均一负载在氮掺杂碳上。该制备方法从廉价的生物质及商业化的金属钴盐出发，方法简单、易于规模化且价格低廉。该催化剂开创性的能够同时用于阴阳两极，高效率的制备氢气和氧气。论文还通过对电催化实验的巧妙设计，进一步揭示了钴炭复合物高效产氢的机理和原因。此外，将该催化剂组装成碱性电解池也表现出了很高的效率，这对于开发高效率的廉价金属总电解水催化剂提供了思路和可能。

相关论文发表在J. Am. Chem. Soc. （IF= 12.1,2015, 137, 2688−2694）,已被引用58次，被杂志评选为高被引论文，热点论文。