目前,由于过渡金属各类薄膜、纳米管和新电极材料研究和开发，探究电化学降解机理的和电化学水处理技术成为各方研究和发展的重点。随着我们不断深入和完善催化电极与电化学理论，电催化电极和电化学水处理技术必然会在环境保护和工业生产中发挥重要作用。

除此之外，电催化技术可以应用于电催化处理有机污水；含铬废水的电催化降解；烟道气及原料煤的电解脱硫；电催化同时脱除 NOx 和 SO2；电解还原二氧化碳等。目前电催化作用研究得较深入的有能源利用、燃料电池和某些化学反应（如丙烯腈二聚、分子氧还原）这三个方面，预期未来在开拓精细有机合成方面可能会得到较大的进展，特别是对那些与电子得失有关的氧化还原反应。

   在能源危机和环境污染问题日益加剧的21世纪，无污染、可再生的氢气被认为是最有潜力替代化石燃料的新能源之一。通过电解水的获得的氢气纯度较高，是目前最为理想的制取氢气的方法。然而在电解反应过程中需要的电催化析氢过电位过高，限制了我们大规模发展电解水制氢工业，因此若想获得大量氢气，就必须找到一种高效、稳定和性能优秀的电催化析氢材料作为电极。目前在电解水工业生产制氢的实际应用中，基于贵金属 Pt 的材料电催化效率最高，但是最为一种贵金属原料，它的价格不仅昂贵，而且在地球上储量极少，这两点限制了铂系催化剂能够在电解水工业生产中大规模的应用可能。相比之下，过渡金属氧化物不仅价格便宜，储存量也远远大于贵金属，电催化活性也比较优异，金属铌作为过渡金属中的一种，吸引了大批研究者的注意力，本论文用阳极氧化法制备了高度有序的多孔氧化铌，并对其进行高温退火改性，在氧化铌中掺入氮或磷元素，探究它的电催化析氢性能。

1.3 阳极氧化法介绍

1.3.1 阳极氧化机理介绍

阳极氧化后一般会形成阻挡型和多孔型这两种类型的氧化膜，但迄今为科学界对于两种氧化膜形成的变化规律并没有得出一致的解释和理论模型。传统观点认为膜的形态与电解液类型密切相关，但这一机理已逐渐被“膜的形态与临界电流密度相关”这一概念取代。目前，铝氧化膜的生长机理在各金属阳极氧化成膜中认可和发展程度最高。全世界许多科研人员在不同的影响因素前提下对生长机理进行了探究。

   根据原有的 HFM (high field model) 模型[4]，Wu H 等[5-6]探究了氧化膜形成初期的电化学现象，提出了铝氧化膜生长的数学模型；吴俊辉等[7]研究了多孔氧化铝膜在酸性溶液中的的生长机制，提出氧化膜可能是以“晶胞”为单元生长，导致在“晶胞”界面处留下大量的结构缺陷，如空隙、位错等。Macdonald D 等[8-10]提出PMD (point defect model) 的结构模型。就目前现存的机理中，人们普遍认可的是多孔铝形成过程会经历以下三个阶段，即阻挡层形成阶段、微孔形成阶段及多孔层增厚阶段。

    (1) 第一阶段一开始当铝基体在电解质溶液中反应时，电流密度急剧减小，此时在铝表面生成一层致密的氧化铝阻挡层，之所以称为阻挡层是因为阳极氧化生成的三氧化二铝分子的体积大于铝原子的体积，导致氧化膜会完全覆盖铝表面，而我们知道氧化膜一般致密无孔，且电阻较高，因此这层氧化膜成为进一步反应的阻挡层。

    (2) 随着反应的进行，待阻挡层厚度生长达到一临界值后，电解液开始在阻挡层的表面溶解出最初的孔核，此时电流密度开始逐渐增大，此为第二阶段微孔形成阶。

    (3) 第三阶段电流密度慢慢增大趋于稳定，由于第一阶段生成的氧化膜和铝之间的应力作用，加上电解液的腐蚀作用，阻挡型氧化膜表面产生微裂纹。依靠自组织过程，这些微裂纹慢慢扩大溶解形成纳米孔。在外加电场的作用下，由于 Al3+ 的扩散速度比 O2- 慢，所以 O2- 会扩散到阻挡层内与 Al3+ 结合形成氧化膜。与此同时，在铝基体和阻挡层界面上铝不断被氧化，电解液和阻挡层界面也一直发生着溶解，当氧化速度大于溶解速度时氧化膜的厚度增加。随着反应时间变长，O2- 的扩散速度在溶液中变得越来越慢，直到溶解速度和氧化速度相等的时候，氧化膜的厚度便不会再增加，转而进入多孔层的稳态生长阶段。但不能忽略的是，此时的氧化和溶解反应都在进行。一般情况下，阳极氧化的条件如温度、氧化电压、电解质类型、电解液的浓度决定了氧化膜的阻挡层厚度和纳米孔孔径的大小。