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作为一种将化学能转化为电能的清洁能源转化装置,燃料电池因具有比能量密度高、高效、低排放和低污染等优点而备受关注。氢气作为最清洁的燃料已受到全世界的广泛关注。电解水作为最高效的制氢技术已成为新能源技术领域的研究热点。然而,燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)速率较慢,是提高燃料电池整体效率提高的制约因素。电解水析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的过电位高,能耗大。因此,为上述反应发展低成本、高活性和高稳定性的非贵金属催化剂具有非常重要的意义。杂原子掺杂的碳材料,因结合了碳材料良好的导电性和稳定性及杂原子可增加活性位点的优势,成为电催化领域研究的热点。本论文基于杂原子掺杂的碳材料,以发展廉价高效、稳定性好的ORR、HER和OER催化剂为目标,开展了以下三部分工作:(1)以生物质壳聚糖为碳源和氮源,三苯基膦为磷源,以氯化锌为活化剂,通过高温热解的方法制得氮磷共掺杂的生物质碳材料,并对三苯基膦的加入量进行了优化。采用SEM、TEM、XRD、XPS、N2-吸脱附等表征方法对所得碳材料的性质进行了表征。电催化性能测试结果表明,所得催化剂在碱性条件下对ORR表现出较高的催化活性。尤其是,当三苯基膦的用量为0.75 g时,所得催化剂的催化活性最高。该催化剂具有良好的稳定性和优于商业Pt/C(20%)催化剂的抗甲醇腐蚀性。(2)以咪唑盐离子液体为碳源和氮源,二氧化硅为模板剂,水/乙醇为溶剂,通过将离子液体和二氧化硅共混焙烧然后去除二氧化硅的方法制得氮掺杂中空/实心碳球,并采用SEM、TEM、XRD、XPS及N2-吸脱附等方法对所得碳球进行了表征。电催化性能测试结果表明,所得碳球对ORR和HER表现出优越的双功能催化活性。尤其是当离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐,且以水为溶剂时,制得的氮掺杂空心碳球催化性能最好,其在碱性条件下催化ORR时,可得到与商业Pt/C(20%)相当的催化活性;在酸性条件下催化HER时,在电流密度为10m A/cm2时的过电位和Tafel斜率分别为247 m V和112 m V/dec。而且,该催化剂在催化ORR时具有良好的稳定性和优于商业Pt/C(20%)的抗甲醇腐蚀性能。(3)以钴盐为金属源、对苯二甲酸为主要碳源、PVP为氮源通过自组装法制得碳前驱体,将所得前驱体高温热解后,以次亚磷酸钠为磷源进行磷化,得到钴磷化物/氮掺杂碳复合材料催化剂,并对磷化温度进行了优化。采用SEM、TEM、XRD、XPS、N2-吸脱附等方法对所制备催化剂进行了表征,并考察了其电催化性能。结果表明,磷化温度为420°C时所得催化剂在碱性条件下对ORR、OER及在酸性条件下对HER均表现出优异的催化性能。而且,该催化剂具有良好的稳定性和优于商业Pt/C(20%)的抗甲醇腐蚀性。