【摘 要】
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能源消费的日趋旺盛和随之而来的环境压力是困扰现代社会可持续发展的一个难题,清洁高效的能源装置是实现能源可持续储存和供应的可行方案。燃料电池和金属-空气电池是可持续和高效的能源器件,阴极氧还原过程（ORR）是这两种能源器件中的关键半反应,其四电子多步ORR过程直接决定着输出性能,因此高性能ORR催化剂是领域内长期追求的目标。Pt基ORR催化剂具有较高的电催化活性,但其资源稀缺、造价昂贵、耐久性差、耐
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能源消费的日趋旺盛和随之而来的环境压力是困扰现代社会可持续发展的一个难题,清洁高效的能源装置是实现能源可持续储存和供应的可行方案。燃料电池和金属-空气电池是可持续和高效的能源器件,阴极氧还原过程（ORR）是这两种能源器件中的关键半反应,其四电子多步ORR过程直接决定着输出性能,因此高性能ORR催化剂是领域内长期追求的目标。Pt基ORR催化剂具有较高的电催化活性,但其资源稀缺、造价昂贵、耐久性差、耐甲醇干扰性差等限制了其在ORR相关器件上的广泛应用。而非Pt催化剂有望实现高效、持久的ORR性能,因此受到了研究者的热捧。以生物质为前驱体衍生的碳材料作为ORR的催化剂目前得到了广泛关注。其中,杂元素的引入以及有层次的造孔是增加生物质衍生碳材料电催化性能最常用的措施,而生物质机体自身含有丰富的元素,这也为杂元素的引入提供了可能。此外,大部分生物质中都含有丰富的毛细管,比如树叶中含有大量叶脉等,这些脉络在热解的过程中很大一部分就转化成为孔隙,为电催化提供了大量的比表面积。同时,几乎每种生物质中的元素含量都不同,如何利用不同生物质前驱体中对所衍生碳材料进行元素含量调控值得深入探讨。由于同一株生物质的每个部分中杂元素的含量都不相同,而以往的绝大部分研究都是直接将同一株生物质作为一个整体,并没有将各个部分再进行区分对比。因此,本论文利用丰富的生物质材料作为前驱体,热解处理衍生得到一系列异质元素掺杂的多孔碳材料,探讨其用于电化学催化方面的性能。本论文的内容概括如下:（1）以踏地菘作为前驱体,在没有任何外加杂原子源的情况下通过一步热解形成多孔碳材料（BM-Mgx）,BM-Mg1在碱性介质中表现出与Pt/C相当的ORR活性,而在电化学稳定性和耐甲醇干扰等方面的表现都要显著优于Pt/C。同时设计了以小茴香、豆角、香菜、白玉菇和茼蒿作为前驱体的对照实验,综合分析了各前驱体与对应衍生碳材料中元素含量和这些衍生碳材料在ORR性能方面的构效关系。（2）探索由菊花植株的各个部分作为前驱体所制备的多级多孔碳材料在ORR活性方面的研究。在无任何外加杂原子源的情况下,以菊花体系作为前驱体,Zn Cl2/Zn（OH）2作为双模板一步合成含有C、N、O、P、S、F元素的多级多孔碳材料CL-Zn0.0125。CL-Zn0.0125在0.1 mol/L的KOH溶液中表现出了-0.051 V vs.Hg/Hg O的半波电位和-0.012 V vs.Hg/Hg O的峰电位,电化学稳定性方面达到了9000圈的循环稳定性。在耐甲醇测试等方面更是显著优于Pt/C。此外,本章以菊花植株中的菊花叶（CL）、菊花茎（CS）和菊花茎叶混合物（CL＆S）分别为前驱体,系统研究了同一植株各个部分衍生得到的碳材料在ORR方面的应用潜力。（3）以柚子皮作为前驱体,尿素作为N源,同时加入了锌基模板（[Zn CO3]2[Zn（OH）2]3和Zn Cl2）和铁基模板（Fe（NO3）3·9H2O）,通过一步热解法生成碳材料SP-N1-Z0.6/F0.5,并研究其在电催化方面的性能。研究结果表明,SP-N1-Z0.6/F0.5表现出比Pt/C更正的峰电位和半波电位以及更大的峰电流,循环稳定性和耐甲醇干扰等方面也显著优于Pt/C。此部分工作以氮源以及模板为变量设计了一系列对照实验,阐明了氮源和模板剂在提高氧还原活性方面的协同作用。
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