能源是人类赖以生存的重要物质基础,是国民经济的发展命脉。作为仅次于基因组计划和超级材料之后的第三项尖端技术,燃料电池（Fuel cell）具有环境友好、启动速度快、能量转换效率高、运行安静稳定等特点,承载着人类高效率和零排放发电的梦想。质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）在移动电源和分散式电站领域拥有广阔市场,备受关注。若想打破其大规模商业化障碍,需要寻找来源广泛、价格低廉、氧还原催化性能好、稳定性强的非铂催化剂,这也是众多科研人员的努力方向。因出色的稳定性、可控的孔结构、高表面积和出色的电子导电性,碳材料在电化学能量转换和存储领域受到广泛研究。通过引入杂原子的化学修饰方法能够有效优化碳的内在结构、电子性能和几何性质,产生大量吸附和催化活性位点。基于此,本文制备了不同杂原子掺杂泡沫碳材料,通过一系列物理性能表征、微观结构表征和电化学测试,探究它们的微观形貌、键合成分等对氧还原催化性能的影响,解释其优异性能的原因。本文开展了如下一些工作:1.利用水解乙烯基咪唑鎓硝酸盐（[Hvim]NO₃）作为发泡剂和一次氮源,在碳化过程中实现材料自发泡,制备氮掺杂泡沫碳材料（NCF）。扫描电镜图像显示,该材料具有典型的泡沫碳形貌特征:形状不规则的窗口连接起球状气孔,孔直径1-1.5μm,孔壁相对光滑,韧带节点处孔壁增厚,互相层叠。2.创造性地引入二次氮源三聚氰胺（C₃H₆N₆）,通过调控一、二次氮源比例和碳化温度,提升材料的氮掺杂含量,构建更多有利于氧还原催化过程的活性氮结构。电镜图像显示,于1000°C热解的一、二次氮源质量比为1:1的样品H1M1-1000在保留了初始泡沫碳互联微米级孔洞的基础上,构建出更加丰富的层状褶皱结构,有利于传质和承载更多活性位点;X射线光电子能谱测试结果表明,该样品具有最高的活性氮含量,吡啶氮和石墨氮含量分别高达22.23%和55.59%;电化学测试结果表明,该样品的极限电流密度和初始电位分别为6.25 mA?cm^-2和0.914V（vs.RHE）,半波电位为0.834V（vs.RHE）,仅比商业铂碳低14mV,且四电子过程占优势,平均转移电子数为3.89,具有优于商业铂碳的抗甲醇性能和稳定性。3.以聚四氟乙烯[（C₂F₄）_n,PTFE]微粉为氟源,通过精确调控氮源与氟源的比例和碳化温度,制备氮氟共掺泡沫碳材料（NFCF）。电镜图像显示,于900°C热解的一、二次氮源和氟源质量比为1:1:2的样品H1M1F2-900在原氮掺杂泡沫碳薄层褶皱结构的基础上,构建出更加丰富的直径为10-20nm的微结构,这对于扩大活性位点数量具有重要意义;一系列结构表征结果显示,该样品具有最多的结构缺陷和最无序的碳原子排列情况,活性氮含量和离子型碳-氟键分别高达78.80%和67.12%,这是优异氧还原性能的来源;电化学测试结果显示,该样品氧还原催化性能最好,极限电流密度和初始电位进一步提升至6.57mA?cm^-2和0.926V（vs.RHE）,半波电位为0.844V（vs.RHE）,仅比商业铂碳低4mV,平均转移电子数为4,抗甲醇性能和稳定性均优于商业铂碳。