面对日益加剧的环境污染和能源危机问题,开发低耗能无污染高效率的能源装备迫在眉睫。燃料电池目前被认为是最具有发展前景的绿色发电技术。但是与此同时燃料电池阴极发生的氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)由于反应动力学缓慢和速率滞后通常需要较高的过电位,所以需要催化剂来加速其动力学。目前应用于ORR的电催化剂主要是铂(Pt)基催化剂,这类催化剂的稀缺性和高成本限制了电催化剂的大规模商业化,开发廉价且高效的非贵金属催化剂则需要尽早提上日程,使其具有相较于Pt基催化剂更好的催化效率和耐久性。沸石咪唑类骨架-8(ZIF-8)是一种三维沸石型咪唑框架,具有优异的化学和热学稳定性且衍生材料已经被广泛应用于催化中,本文以ZIF-8为前驱体探索非贵金属氮碳材料催化剂的制备以及电催化ORR性能为主要目的,利用旋转圆盘技术和物理表征手段,研究了催化剂对ORR催化活性的影响及催化剂的活性位点。具体研究内容如下:1.采用水热法成功制备出ZIF-8,以ZIF-8为前驱体通过高温煅烧得到了氮掺杂多孔碳催化剂NC-1000,将NC-1000用于电催化ORR发现该催化剂在碱性条件下具有较好的氧还原催化活性。进一步分析表明NC-1000电催化活性可能归因于其高石墨化程度和高比例吡啶氮原子的协同作用。2.理论计算表明,铜在过渡金属中具有最高的ORR催化活性。通过简单的水热-高温煅烧策略制备出了锚定在氮掺杂多孔碳上的铜单活性位点催化剂(Cu ISs/NC-1000)。其中Cu@ZIF-8作为前驱体的高温热解,有效地防止了Cu原子的迁移和团聚,从而形成了定义良好的铜单个活性位点催化剂。在碱性条件下表现出优异的ORR催化活性、耐久性以及抗甲醇毒化性。Cu ISs/NC-1000催化剂的优异的ORR催化性能可以归因于锚定在N掺杂碳材料表面的铜单个活性位点以及掺N掺杂碳载体的辅助作用。3.单过渡金属掺杂的电催化剂活性位点单一,催化活性不够。设计和制备双金属掺杂碳材料催化剂具有一定的研究价值。以ZIF-8为前驱体通过两次高温煅烧策略制备了铁镍共掺多孔氮碳催化剂(0.05Fe-Ni-NC),该催化剂展现了比单金属镍、铁掺杂以及商业Pt/C更好的ORR催化活性。通过表征证明高ORR催化活性归因于催化剂高的石墨化程度、均匀的微孔结构、大的比表面积以及吡啶氮和石墨化氮的协同作用。该方法提供了制备高效的双金属ORR催化剂的策略。