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人们日益增长的环保意识和能源需求推动了从传统化石燃料向清洁可再生能源的必然转变。然而,由于缺少具有理想氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)催化动力学的电催化剂,再生燃料电池和可再充电的金属-空气电池这类具有高能量密度的新能源的开发受到严重阻碍。现有催化剂的过电势较大,导致了其在充电过程中相对较低的能量密度。此外,实际应用中普遍使用的贵金属电催化剂的广泛普及明显受限于高成本,以及差耐用性。因此,非贵金属基电催化剂的研发工作应运而生。其中非金属含碳材料作为双功能ORR和OER电催化剂,由于其理论活性高、来源广泛、价廉环保,以及持久耐用性等优势引起了极大的关注。本论文通过化学气相沉积法、微机械剥离法和等离子体增强气相沉积法制备得到了单层石墨烯纳米片和垂直取向石墨烯。利用氯气光氯化和紫外光辅助金属氯化物分解氯化的方法,通过石墨烯中碳的sp~2-to-sp~3杂化状态转变来设计结构缺陷和共价C-Cl键。通过X射线光电子能谱(XPS)证实C-Cl共价键的形成,获得了18 atom%Cl覆盖率的石墨烯。并且在照射后通过拉曼光谱监测D,G和2D峰的变化,进一步确认了缺陷结构的存在。氯化石墨烯场效应晶体管的迁移率从原始石墨烯的730.4 cm~2/(V·s)降低至66.1 cm~2/(V·s),表现出明显的半导体性质和P型掺杂特性。拉曼光谱表示缺陷和C-Cl键与辐照时间密切相关,因此可以相应地在石墨烯结构中引入结构缺陷和调控其化学组成。鉴于活性位点的产生,以及快速的离子和电子传输的性能,氯化石墨烯满足高性能电催化剂的结构和组成要求。利用标准三电极体系的电化学工作站测试氯化垂直取向石墨烯作为优异的双功能ORR和OER自支撑式电极,OER在电流密度10 m A/cm~2时的过电势为370 mV,Tafel斜率为41 m V/dec,优于现有商业Ir/C。同时,ORR还原峰值出现在0.776 V(vs.RHE),与对照电催化剂如碳布和本征石墨烯相比,产生更正的氧气还原电压和更大的极限电流密度。在耐久性方面,氯化石墨烯电极经过12 h计时电流测试,电流密度损失仅为4.2%,显著优于商业Ir/C材料的稳定性。本论文开发了两种通用的氯化方法,通过赋予碳质材料丰富的缺陷和极化碳作为活性位点,成功制备了氯化石墨烯。优异的双功能ORR和OER电催化活性使氯化石墨烯材料在新能源领域具有较好的应用潜能。