燃料电池是一种理想的能量转换装置，它能以高效、清洁的方式将存储在可再生能源中的化学能直接转换成电能，但其传统的阴极氧还原电催化剂的成本高，寿命短，因此，开发低成本、高活性、高稳定性的替铂氧还原催化剂显得尤为重要。近年来，非贵金属碳基氧还原催化剂吸引了许多研究者的关注，它被认为是目前最有希望替代贵金属铂系催化剂应用于商业燃料电池中的一类催化剂。其中，以碳材料为主体，对其进行的非贵金属元素掺杂、非金属元素掺杂，以及纯碳缺陷催化剂更是引起了学术界的广泛兴趣。然而，新催化剂的开发多采取传统的试错法，耗时费力，加上对催化剂活性起源的有限认知，极大地约束了氧还原催化剂的进一步发展。
　　本文的工作主要以碳材料为主体，并致力于开发不同于传统的方法以制备碳基非贵金属催化剂，追求材料的精确可控合成以及探索材料中可能的活性位结构，尝试从微观层面揭示催化剂性能提升的本质。
　　本研究首先发展了一种不同以往的掺N方式，设计出一种范德华异质结构的g-C3N4@GO凝胶，它是利用g-C3N4与GO片层之间的π-π相互作用、范德华力作用和氢键作用使预先剥离的g-C3N4纳米片复合到GO纳米片上而得到的层状复合材料，然后通过高温处理，制备特定结构的N掺杂石墨烯纳米片催化剂。这种掺N催化剂中具有高比例的吡啶N结构(56 at.%)以及富边缘缺陷的碳结构，可以表现出优异的电催化活性以及有利的的动力学过程。这显著增强的电催化性能主要是因为在催化剂的制备过程中，N 原子容易掺杂到石墨烯的缺陷边缘，而这种掺N形式是有效的氧还原反应掺N活性位点。同时还发现热解温度对N掺杂结构和N掺杂形式起决定性作用，该研究为N掺杂碳基催化剂的设计提供了一种新的方法。
　　在此研究基础上，对碳材料进行了同时掺N和掺S处理，合成了一种N,S共掺杂改性乙炔黑催化剂。实验中，乙炔黑先通过简单的化学氧化法进行表面剥离和功能化修饰，并利用 S 的流动性，巧妙的在表面改性的乙炔黑上包裹化学沉积的单质硫，再根据硫受热分解的特性，在高温掺N的过程中，使硫分解充当致孔剂，增加催化剂的比表面积和孔体积，并留下特定的掺 S 物种，而乙炔黑在表面氧化改性的过程中引进了大量的缺陷结构，这些结构为杂原子的掺杂提供了更多的反应位点。这种缺陷工程与杂原子掺杂之间的协同效应，以及N原子与S原子共同掺杂的协同作用，极大地提高了氧还原反应的催化效率，促进了反应的动力学过程，使其表现出优异于Pt/C催化剂的性能。
　　进一步地，在非掺杂的条件下，探究了纯碳缺陷结构的氧还原性能。实验中，创新性的以乙醇为碳源，碘作催化剂，在溶剂热条件下利用碘催化乙醇氧化制备了一种特殊结构的碳微球催化剂，这种催化剂表面具有大量的裂缝、边缘和孔隙结构，改变了碳材料的电子特性，给催化剂带来了大的比表面积，改善了传质效应，暴露出更多的氧还原活性位点，证明单独的碳缺陷结构也可以表现出显著的氧还原性能。
　　最后，探讨了催化剂制备过程中，可能的残留金属对催化剂电催化性能的影响。实验中发现合成催化剂的原料中带有的金属成分不能通过酸刻蚀完全去除，残留的金属可以利用X射线荧光光谱以及电感耦合等离子体发射光谱来检测。典型地，Hummers法制备的碳基催化剂中残留的Mn杂质可以在材料的电催化性能中发挥重要作用，即使微量的 Mn 元素也可以显著影响催化剂的氧还原活性，并且催化剂的活性随金属Mn含量的增加而增强。同时，金属Mn在高温热解过程中会催化碳材料中石墨相碳的生成，提高催化剂的电导性，并生成特殊的石墨相碳包裹MnO2的结构存在于催化剂中，增强催化剂的ORR活性，提高催化剂的稳定性。