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近年来环境污染及能源危机问题日益加重,燃料电池和金属-空气电池以其高能量转化率、高能量密度、绿色无污染等优点,得到了人们的广泛认可。这类电池技术的核心在于阴极氧还原反应(ORR),ORR电催化剂极大地影响整个电池的综合性能。然而,目前主要采用成本高、储量少、稳定性差和抗毒化能力弱的Pt基贵金属作为ORR电催化剂,致使燃料电池和金属-空气电池无法得到广泛的商业化应用。因此,研发廉价、高活性、稳定性高和选择性好的新型非Pt基ORR电催化剂显得十分重要。在各类非Pt基ORR电催化剂过渡金属氮碳材料(M-N-C,M = Fe,Co等)催化剂由于过渡金属与氮的协同作用显示出高的ORR催化活性。本文基于在氧化石墨烯片的表面上修饰杂原子掺杂的功能性碳材料的思路,制备的过渡金属氮碳复合材料既可以保持石墨烯高导电性和大比表面积的优点,又能在石墨烯表面引入大量的O R R活性位点。具体研究内容包括以下两方面:(1)设计了一种合理的方法,通过两步反应和随后在高温惰性气氛中的退火处理制备具有三明治状结构的Fe,N-石墨烯复合材料。首先,以GO/FeC13作为氧化剂和模板,使吡咯在GO表面氧化聚合行成GO@PPy前驱体,使得Fe物种嵌入在GO和PPy两层之间,然后将前体在不同温度下退火以获得Fe-N-C材料。各项结构表征显示,三明治状的Fe-N-石墨纳米片石墨化程度高,电子传输能力强;结构上保持大的比表面积,有利于活性位点的暴露,增大传质能力;Fe物种被薄薄的碳层包覆,增强稳定性和甲醇耐受性。结果证明由825 ℃退火得到的三明治状Fe-N-C材料作为ORR电催化剂,显示出与商业Pt/C催化剂相当的起始电位(-0.08V vs Ag/AgCl),更高的极限电流密度(-0.6V时5.87 mA cm-2),4-电子反应路径,突出的稳定性和优异的甲醇耐受性。(2)由于用于构建ZIF颗粒的金属离子与来自GO的含氧基团之间具有强相互作用,因此在GO表面可以原位生长ZIF颗粒。基于此,首先,我们在GO表面上生长ZIF-8和ZIF-67纳米粒子的均匀涂层;然后在高温处理时可有效避免石墨烯的聚集,最终得到Co-N掺杂的纳米多孔碳/石墨烯纳米片。石堪烯作为导电层,构建导电网络以加速碳中的电子转移,衍生自 ZIF的纳米多孔碳作为催化层,其中活性位点(即N掺杂碳,Co-Nx-C)位于纳米多孔碳中。通过多项表征手段分析可知,其大的比表面积,多孔结构和大量Co-N活性位点,有利于ORR过程中传质。在碱性介质中,起始电位和极限电流密度优于商业Pt/C催化剂,电流效率高,遵循4电子还原机理,稳定性和甲醇耐受性均表面优异。