除此之外，氧化铌在光纤、压电、电光材料、催化和生物相容性材料等领域都有应用[34]。尤其是在生物传感器应用领域，介孔氧化铌已经显示出了很好的应用前景[35-36]。

最近，Shumuki小组通过电化学氧化法成功制备了自有序多孔氧化铌[37]，但是关于阳极氧化法制备氧化铌仍然需要做更深入的观察和研究[38]。

1.2 电化学催化介绍

1.2.1 电化学催化析氢原理

不同的科学家根据所做的研究和实验，对于电解水析氢反应的基本原理，提出了各自不同的理论模型。而在目前在这些理论当中最著名的两个理论为迟缓放电理论和复合理论[52]，其基本步骤如下所示(M为电极材料)：

(1)电化学反应步骤(Volmer反应)：

   在酸性介质中：H3O+ + e— + M → MH + H2O；

   在中性或碱性介质中： H2O + e— + M → MH + OH一；

(2)复合脱附步骤(Heyrovsky反应)： MH + MH → 2M + H2。

(3)电化学脱附步骤(Tafel反应)：

   在酸性介质中：MH + H3O+ + e— → H2 + H2O + M；

   在酸性或碱性介质中： MH + H2O+ e— → H2 + M + OH—；

关于以上电催化析氢反应的三个步骤，不同的学者对于速度控制步骤各有见解，其中偏向于复合理论的学者认为最慢的一步为第二步反应即 Heyrovsky 反应，而坚持迟缓放电理论的学者则认为第一步反应即Volmer 反应速度最慢[53]。在电化学催化析氢过程中，因为氢原子和电极表面彼此的吸附力主要依靠电极和粒子之间存在的作用力，所以自身具有较高的析氢反应过电位的电极材料，对于氢的吸附作用力比较小，因此氢的吸附这一步骤成为速度控制过程的主要步骤；反之，对于析氢过电位较低的电极材料，速度控制步骤则在为析氢过程中的脱附步骤。除此之外，材料的导电性能、反应温度、表面微观结构、氧化电极电位以及电解液的组成等都会对反应的速度和反应发生的过程产生或大或小的影响。

在电解水的机理中，存在一个水的理论分解电压 Uθ，它是一个理论参数。在25 ℃，l atm 时，Uθ 为1.23 V。在一般的电解系统中，一定温度下的 Uθ 是一个固定值，与溶液组成、pH 值大小、和电极材料等均无关。当温度升高时，Uθ 值会减小。然而，在实际的操作过程中，如果在电极两端施加 Uθ (如1.23V)时，电化学催化析氢(HER)反应和电化学催化产氧(OER)的反应速率十分缓慢，反应几乎无法进行。为了提高两者的反应速率，越过能量势垒，必须要在电极两端施加额外电压，我们称之为过电压。在实际反应过程中，所施加的过电压主要用来克服阳极和阴极物质的本征活化，以及其他的一些电阻，如溶液内阻和接触内阻。因此，降低电解水过程中的过电压对于降低电解水过程中产生的能耗具有十分重要的意义。

在本论文中我们采用了金属铌作为研究对象。作为过渡金属中的一种，它的成分和催化析氢活性有很大的关系。因为在过渡金属的原子结构中，存在未成对的d电子和半充满的d轨道。这些未成对的电子和轨道能够和氢形成金属-氢键作用力。除此之外，过渡金属中未成对电子的数目和能级决定了吸附自由能的大小，而电催化析氢活性的主要因素是金属-氢键的形成和断裂，如果反应时吸附自由能过小，脱附步骤速率也变得很小，从而导致总的反应速率变得很慢。因此我们可知，选择合适的金属及其氧合物来修饰金属-氢键，能够极好地改善电极的催化水分解析氢性能。

1.2.2 电催化在实际工程中的应用

电催化电极一方面具有很好的节能、降耗作用，另一方面在水处理技术中也有一番应用，特别是电化学水处理技术，科研人员对此做了很多相关的实验,证明其可以高效降解有机物，所以这项技术在污水处理方面的应用前景非常广阔，目前在环境保护中占有一席之地。虽然氧化物修饰的金属电极已经成为了有机物氧化中的电催化工艺这一步研究的主要阳极材料，但因其使用寿命较短而且花费的成本较高，所以并未在生物难降解废水中有跨越性的进展，所以无法在实际工程中得到广泛应用。因此研究和筛选合适的金属氧化物作修饰电极和如何增加其工作寿命，俨然成为了电催化氧化处理技术中的重中之重。