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氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)和氧析出反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)作为能量储存和转换过程中的两个关键电化学反应,一直是电催化领域的研究热点。目前围绕ORR和OER反应所开发的催化剂多是以Pt、Ru和Ir等贵金属催化剂为主,并取得一定进展。然而,贵金属储量少和价格高等缺点,却使其一直难以规模化应用。近年来大量研究表明新近出现成本低廉的非金属掺杂碳材料展现出较好的ORR和OER电催化性能,可望取代贵金属催化剂。为开发出活性更加优异的非金属掺杂碳催化剂,本文尝试制备了新型砷掺杂、砷氮共掺杂的碳纳米管和氮掺杂有序介孔碳材料,用于ORR和OER的电催化并对其催化机制进行探讨。主要内容如下:(1)新型砷掺杂碳纳米管(As-CNTs)的制备及其电催化性能考察采用化学气相沉积法(CVD),将含有三苯基砷的二甲苯溶液在高温下气化热解,制备As-CNTs,并对获得的As-CNTs结构、组成等进行表征分析,结果表明原子半径较大的砷原子可以掺入到碳纳米管的网络结构。电化学测试表明所制备的As-CNTs在碱性条件下展现出较好的ORR和OER电催化活性,显示砷原子掺杂能明显改善碳纳米管的ORR和OER电催化活性。同时,密度泛函理论计算表明砷原子周边的碳原子的净电荷由变成了电负性,且能隙降低,进一步从理论上证实砷原子掺杂有利于提高碳纳米管的ORR和OER电催化性能。(2)新型砷氮共掺杂碳纳米管(AsN-CNTs)的制备及其电催化性能考察为了进一步提高砷掺杂碳材料的催化活性,本文又尝试合成了砷氮二元共掺杂碳纳米管(AsN-CNTs),并对所制备的材料进行结构表征和元素含量分析,证实砷元素和氮元素的成功掺杂。电化学测试结果表明:在碱性条件下,AsN-CNTs的ORR电催化活性明显优于氮掺杂碳纳米管(N-CNTs),表明As和N原子之间存在协同作用。同时,砷氮共掺碳纳米管还表现出了优异的OER催化活性。理论计算结果表明砷原子和氮原子周围的碳原子净电荷发生改变,以展现出更多的活性位点,且能隙降低,更有利于ORR和OER电催化性能的提高。(3)掺氮碳材料中活性氮物种对ORR和OER催化性能的影响尽管掺氮碳材料在ORR和OER的应用已经取得了巨大的进展,然而,关于何种氮对ORR的起主要作用一直都没有定论。为此,本文以廉价的烟叶为原料,制备氮掺杂有序介孔碳材料(N-OMC),用二氰二胺用来调节氮的种类和含量,并在碱性和酸性条件下,同时对其ORR和OER催化活性进行测试分析,结果显示:在N-OMC中,吡啶氮和吡咯氮对ORR和OER催化活性的提高起主要作用,这对未来双功能催化剂的开发具有指导性意义。