依靠化石燃料进行能源消费和生产,对世界经济和生态的健康可持续发展极为不利,目前,研究者正在致力于开发绿色高效的新型能源。氧还原反应(ORR)是新能源利用装置金属-空气电池和燃料电池中必不可少的电化学反应过程之一。然而,由于在ORR中所使用的铂系催化剂造成了其高成本和低耐久性,严重阻碍了其商业化应用,因此,针对商业燃料电池所面临的问题,研发廉价、高效的非贵金属ORR催化剂十分重要,是决定商业燃料电池进一步市场化应用的关键。基于此,本文主要从开发替代铂基非贵金属类催化剂着手,设计构筑合成了三种基于功能化碳材料的新型ORR催化剂,具体研究内容和结论如下:(1)以廉价的葡萄糖为制备碳材料的碳源、三聚氰胺为氮源,与石墨烯复合,并经高温炭化、活化后成功制备得到片状氮掺杂石墨烯/多孔碳复合材料(NPGC)。采用SEM、XRD、Raman和XPS等分析手段对所制的材料进行形貌和结构分析,并利用旋转圆盘电极等仪器对复合材料进行ORR电化学性能分析。研究表明:在碱性电解液中,NPGC的极限电流密度为4.7mA·cm-2,展现出与商业Pt/C(20wt%)相媲美的ORR活性。在氧还原反应中,NPGC的平均转移电子数为3.8,是一种近4电子的反应途径。与商业的铂系催化剂相比,该复合材料具有良好的稳定性,在连续测试6 h后,NPGC的初始电流密度保留效率可达86%。此外NPGC具有非常优异的抗CH3OH“跨界效应”,在注入甲醇后其电流密度没有明显变化,该方法为制备高性能和低成本ORR催化剂的开阔了思路。(2)以FeCl3·6H2O和GO为原料采用机械搅拌法,通过低温热解法,将Fe3O4纳米晶以Fe-C键机械地锚定在还原氧化石墨烯表面,得到Fe3O4/rGO复合材料。值得注意的是,Fe3O4纳米粒子是直接嵌入到rGO,而不使用任何分子粘合剂或连接剂。采用SEM、TEM、XRD、Raman和XPS等分析手段对所制的材料进行形貌和结构分析。以Fe3O4/rGO为氧还原催化剂,测试了其在碱性条件下的ORR性能。研究表明,该催化剂具有对ORR具有显著的活性,其中极限电流密度可达4.5 mA·cm-2,Tafel斜率接近商用Pt基催化剂,且RDE与RRDE测试计算相互印证了氧气在该催化剂材料的反应为四电子反应途径,具有较低的H2O2产率。此外,与商业的铂系催化剂相比,Fe3O4/rGO具有较好的长期稳定性和耐甲醇性,在连续测试6h的情况下,其初始电流密度保留率可高达91%,有望在实际生产中应有。(3)以核壳结构的ZIF-67@ZIF-8为制备碳材料的前驱体,采用一锅法,经高温碳化后制备得到Co、N共掺杂分级多孔碳复合材料(Co-N@PC)。采用SEM、XRD、Raman和XPS等分析手段对所制的材料进行形貌和结构分析,并利用旋转圆盘电极、环盘等仪器对复合材料进行ORR电化学性能分析。研究表明,在碱性电解液中,Co-N@PC的极限电流密度于Pt/C接近,尤其是其半波电位为0.831V(vs.RHE),具有优异的ORR性能,且在ORR反应过程中平均转移电子数为3.9,ORR过程以4电子路径为主,优异氧还原性能归因于分级多孔碳在测试过程中可以加速材料的电子转移,此方法简单可控,为非贵金属催化剂的制备提供了一个新的思路。