铁酞菁(FePc)分子因含Fe-N/C基团,成为过渡金属大环化合物中对氧还原反应(ORR)催化活性最好的一种非贵金属催化剂。但是,它易聚集、导电性差、在催化过程中结构不稳定的性质严重地影响了它的催化性能。在本文中,我们以碳材料为基底,分别采用液相化学反应法和物理混合方法,通过改变碳材料的种类、氧化程度及比例等制备了一系列碳基FePc纳米材料,探索了不同碳基FePc的结构对ORR的催化性能,并研究了基于它们的ORR催化机理,为可控制备基于FePc的高效的ORR催化剂奠定基础。具体实验可以分为以下三个:1.基于液相化学反应法,通过改变氧化石墨烯的含量,制备了一系列形貌可控的碳基FePc纳米材料。在碱性电解质中与商业Pt/C相比,最优的石墨烯基FePc材料(FePc-R25)在ORR催化过程中具有更高的起始电位(Eonset,1.000 vs.0.973 V)、半波电位(△E1/2=100mV)、稳定性和耐久性。以FePc-R25为阴极催化剂组装的锌-空电池具有良好的功率密度和放电稳定性。X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线近边吸收谱(XANES)等系列表征以及理论计算表明:FePc和石墨烯之间形成轴向配位的Fe-O-C键及因此所产生的Fe(Ⅱ)Pc/Fe(Ⅲ)Pc/RGO纳米结构是石墨烯基FePc纳米材料高效协同催化的关键。2.以多壁碳纳米管为基底,采用液相化学反应法制备了碳基FePc纳米材料(FePc-RCNTs)。在碱性环境中,FePc-RCNTs表现出可媲美商业Pt/C的ORR催化性能。以FePc-RCNTs为阴极催化剂组装的Zn-Air电池具有良好的功率密度和放电稳定性。一系列表征证实:在FePc和碳纳米管之间存在着与Fe-O-C有关的强相互作用力是促进碳基FePc纳米材料ORR催性能的关键。3.基于不同氧含量的碳纳米管,在液相中采用物理混合方法制备了三种碳基FePc复合材料。在碱性环境下的ORR催化实验表明:虽然碳纳米管上氧含量的增加降低了它对ORR的催化性能,但是却明显促进了相应碳基FePc复合材料的催化性能。一系列表征证实:碳纳米管表面上氧含量的增加所导致的缺陷态增多、与FePc之间形成更多的Fe-O-C键以及其它非共价作用力的增强,可能是FePc与碳纳米管通过简单物理混合后体系ORR催化性能提高的根本原因。总之,我们从不同方向出发制备了各种碳基FePc纳米材料并对它们的ORR催化性能进行了系统的研究。各种实验显示:在含氧碳材料和FePc之间,轴向配位的Fe-O-C键是容易形成、普遍稳定存在且对碳基FePc材料的ORR催化性能起着关键性的作用。