燃料电池是目前最热门的清洁能源电池,因其具有转化效率高、环境友好等特点而受到关注。然而燃料电池所用到的铂基催化剂价格昂贵,使其成本过高,难以推广应用。开发价廉且性能优异的替代Pt基催化剂是促进燃料电池商业化的一个有效途径。杂原子氮掺杂碳材料是目前被认为具有较高活性的催化剂材料,因氮原子的原子半径与碳原子相似,且氮原子中的孤对电子能与碳原子晶格中的大π键发生共轭作用,所以氮掺杂碳材料表现出较好的电化学性能和催化性能。此外,为保证氧还原催化反应高效持续地进行,催化剂还须具有有序贯通的微观结构。然而尽管有大量文献设计使用多孔结构,却没有深入系统地研究过具体孔结构对氧还原性能的影响,而氮碳催化剂的实际催化性能相比Pt基催化剂仍有较大的差距,因而如何调控设计氮碳催化剂的结构,大幅度提升基于氮碳催化剂的本征催化活性和活性位点利用率,是当前氮碳氧还原催化剂研究的重要一步。基于此,本文开展了以下两方面的工作:第一,鉴于氧还原催化剂的传质需求和活性位点增多的需要,设计一套具有大孔介孔联通结构的三维FeNC网络结构。以大SiO₂微球作为大孔模板,12 nm胶体SiO₂为介孔模板,多巴胺为氮源和碳源,FeCl₃为铁源,在常温30℃下聚合反应再高温热解,制备得到大孔-介孔氮掺杂FeNC-X-12（X代表大孔尺寸,12代表介孔尺寸为12 nm）催化剂。通过使用100 nm、300 nm和500 nm三种不同尺寸的SiO₂微球,同时控制变量分别合成了FeNC-X,NC-X-12,进一步系统研究大孔孔径以及介孔对催化剂性能的影响。表征测试后结果表明,介孔的存在对氧还原催化剂具有飞跃性的性能提高影响,掺入的Fe产生了部分微孔,极大地提高了催化剂的比表面积,相比于未掺杂Fe的催化剂性能有15 mV左右的提升,大孔尺寸从100 nm增至500 nm的过程中,FeNC-X-12的催化性能随之提升,300 nm与500nm基本相差不大。所有制备的催化剂中性能最好的为FeNC-500-12催化剂,在0.1M KOH溶液中半波电位为0.82V。第二,氮碳材料本身具有较好的氧还原反应催化活性。调控设计一套具有大孔-介孔-微孔的多级孔结构理论上将极大地提高催化剂比表面积和活性位点利用率,增强氧还原催化活性。ZnCl₂作为微孔模板,高温气化后将在催化剂上形成大量的微孔,提供大量的催化活性中心,而且ZnCl₂的引入还能有效避免聚合物前驱体在高温碳化过程中的热解损失、表面烧结和孔结构坍塌,提高催化剂产率和氮掺杂效率,最后经简单清洗就可大量除去。因而以不同尺寸的大SiO₂微球作为大孔模板,12 nm胶体SiO₂为介孔模板,ZnCl₂作为微孔模板,制得大孔-介孔-微孔多级孔氮碳材料催化剂NC-X-12-ZnCl₂（X分别代表100 nm,300 nm,500 nm）,探究微孔对氧还原催化剂孔结构的重要意义以及性能的影响。表征结果显示微孔的加入使催化剂比表面积增长了2³倍,暴露了更多的活性位点,提高了活性位点的利用率,大孔孔径在300 nm时传质效果达到最佳,NC-300-12-ZnCl₂催化剂在碱性介质中ORR半波电位达到0.86V,比商业Pt/C高20 mV左右。控制变量合成对比催化剂NC-300-ZnCl₂、NC-12-ZnCl₂、NC-300、NC-300-12,从ORR性能比较可知,大孔是高性能氧还原催化剂不可或缺的孔结构组成,微孔的引入对催化剂氧还原性能的提高具有比介孔更大的贡献,三种孔都存在的孔结构组合具有最佳的催化性能与稳定性。利用NC-300-12-ZnCl₂超高的双电层电容和导电性,还可作为超级电容器,当电流密度为0.5 A/g时NC-300-12-ZnCl₂的比电容达到182.5F/g,具有较好的电容器电学性能。