能源转化过程(如氧还原及氧析出)中应用的催化剂对转化效率的高低以及相关应用的推广具有决定性的作用。以氧还原为代表,现有的商用催化剂(Pt)成本高、易中毒、不稳定,限制了燃料电池的大规模推广,因此开发低成本、稳定、高效的催化剂一直是领域内的重点问题。良好的催化剂需要有效的活性位点、良好的传质途径以及高效的电子传导。生物质材料天然含有多种具备催化活性的金属和杂原子,是优良的炭基催化剂前驱体。本课题选择了两种代表性的生物质:微晶纤维素以及废弃蘑菇菌棒作为主要前驱体,充分利用其天然的结构组成优势,以退火热解为主要制备方法,成功的设计、制备、优化了两种生物质衍生掺杂类炭材料,并对它们的电催化性能(ORR、OER)进行了系统性研究。同时,利用多种表征手段,成功的对复杂生物质基体的催化活性位点进行了分析。微晶纤维素和废弃菌棒衍生的炭材料表现出了优良的电催化性能。具体来讲:1)基于微晶纤维素、吡咯和FeC13的Fe-N-C催化剂(NCPY)在碱性条件下起始电位达0.84 V,最高电流密度4 mAcm-2,起始电位超过了两电子ORR的商用炭黑材料,接近同条件下四电子ORR的商用Pt/C材料。此外,NCPY在酸性及碱性条件下还表现出了部分OER催化性能,表现出了双效催化剂的应用前景2)对于基于废弃生物质蘑菇菌棒原位合成的多非贵金属掺杂的炭催化剂(FRC),材料表现出了优异的H202电催化活性(两电子ORR)。H202选择性最高达98%,并在很宽的电势范围内(-0.7 V～-0.3 V)都保持在91%以上,环电流密度最高达0.45 mAcm-2(-0.5 V)。材料的选择性数值超过了包括商用炭黑在内的几乎现有全部同类型的催化剂(碱性条件下),使其成为极具潜力的过氧化氢电合成催化剂。两种材料优良的催化活性主要来源于成功掺杂的杂原子和金属原子,此外,生物质衍生炭材料的3D结构以及表面含有的大量含氧官能团也有利于催化性能的提升。两组基于纯生物质和废弃生物质的研究为氧还原应用的实际过程提供了低成本的高潜力材料,为开发有效的ORR催化剂提供了新途径,同时为未来生物质衍生炭材料的制备和表征提供了参考。