碳基催化剂由于资源丰富,成本低,抗毒性和稳定性良好等优点,已经被人们视为取代Pt等贵金属催化剂的一类有效材料,而过渡金属掺杂的碳基材料以高效的电催化活性尤其受到人们的青睐。同时,随着便携式新能源器件的应用,对于催化剂的机械性能的要求也随之提高,如韧性、压缩性等等。因此,发展兼具高催化活性和良好的机械韧性的催化剂材料,是当前研究的重点方向之一。基于以上两个研究目的,本文利用静电纺丝技术,分别以聚丙烯腈和聚酰亚胺作为基础研究对象,制备出了不同类型的柔性碳基纳米纤维膜。(1)课题一中以对苯二甲酸(PTA)致孔剂和KCl盐模板对前驱体的孔结构进行了双重调控,以Fe(SCN)3作为杂原子掺杂源,最终制备出比表面积高达799m2/g的柔性自支撑碳膜。同时,得益于其自身高的吡啶氮和石墨化氮含量,高密度金属活性位点以及特殊的“核壳结构”等,该催化剂在0.1 MKOH溶液中进行ORR反应,具有高效的四电子反应过程,它的半波电位达到了 0.895 V,动力学密度达到了 14.25 mA cm-2,均表现出远优于Pt/C的ORR活性。且该催化剂在0.1 M HC104溶液中进行ORR测试,仍以四电子反应过程为主,半波电位达到了0.725 V,比Pt/C低75 mV,极限电流密度与Pt/C相当。虽然在酸性介质中它的ORR活性与Pt/C仍有一定的差距,但它在碱性介质和酸性介质中的抗甲醇毒性和稳定性则远远优于Pt/C。此外,这种柔性碳基纳米纤维膜可直接作为催化剂层应用于氢氧质子交换膜燃料电池中,最大功率密度达到了 236mW cm-2,实现了柔性材料在燃料电池中的直接应用。(2)课题二中利用具有柔性分子链的聚酰亚胺为前驱体制备柔性碳纳米纤维。通过对基底聚酰胺酸进行杂原子调控,最终分别制备出了钴氮掺杂的柔性碳纳米纤维膜和硫钴氮掺杂的柔性碳纳米纤维膜。在钴氮掺杂柔性碳纳米纤维膜研究的基础上,对硫钴氮共掺杂的复合体系进行了电化学性能的研究。结果表明S原子的掺杂会导致具有OER活性的Co9S8新物种生成,从而显著提高了催化剂的OER活性。同时,对该复合体系的ORR性能没有得到进一步提高的原因进行了研究,虽然S原子的引入能引入更多缺陷,但由于Co9S8物种的大量生成,比表面积迅速减小,导致活性位点暴露的可能性降低,同时由于具有ORR活性的Co单质部分转化成Co9S8,导致相应的ORR活性位点减少,因此这二者的共同作用使得S原子掺杂并没有提高催化剂的ORR活性。经过优化,性能最优的催化剂样品在0.1 M KOH溶液中,塔菲尔斜率达到了 86 mV dec-1,优于RuO2的115 mV dec-1,同时表现出极其优异的抗甲醇毒性和稳定性,远远超过了 Pt/C以及RuO2。将其作为ORR/OER双功能催化剂,组装在柔性全固态锌空电池中,也表现出较为优异的稳定性。