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燃料电池因其能量转换效率高、环境友好、低温启动快等优点已成为最受关注的新型能量转换装置。然而,发生在燃料电池阴极中的氧还原反应的动力学速率太过缓慢,需要添加催化剂去加速其反应进程。目前燃料电池中主要使用贵金属铂作为其阴极氧还原反应的催化剂,但铂催化剂存在成本高、易中毒和稳定性差等缺点,极大地限制了燃料电池大规模的商业化应用。掺杂碳纳米材料因具有高效的氧还原催化活性、优良的抗甲醇性能和高稳定性而被认为是最理想的铂催化剂替代材料。然而,掺杂碳纳米材料的催化性能因合成方法的不同而存在极大差异,且其在酸性环境下的催化性能大多不理想。基于此,开发新型的制备方法、构筑新颖优异的结构和探究催化活性中心是当前掺杂碳纳米材料催化剂研究的主要方向。本文以掺杂碳纳米材料为研究对象,展开了如下工作并得到以下结论:(1)以Fe304空心纳米球为模板,采用先原位聚合后煅烧的方法制备了铁氮共掺杂的双壳空心碳纳米球(Fe-N-DSC)。制备的Fe-N-DSC具有双壳空心碳纳米球结构,其氮元素和铁元素含量分别为3.5 at%和0.8 at%,并含有Fe-N结构。作为氧还原反应催化剂,Fe-N-DSC在酸碱环境中均表现出比商业Pt/C催化剂更优异的催化活性、抗甲醇性能和稳定性。其优异的氧还原反应催化性能,得益于以下两方面原因:首先,Fe-N-DSC拥有大量对氧还原反应具有高效催化活性的Fe-N结构。其次,Fe-N-DSC拥有独特的多孔双壳纳米球状结构,这有利于暴露更多的活性位点以及增强传质过程。(2)以氧化石墨烯(GO)为模板,通过静电引力将吡咯(Py)均匀组装在GO两侧表面,在加入引发剂过硫酸铵((NH4)2S208)后,Py同时沿着GO两侧表面聚合形成含硫的聚吡咯薄层(S-PPy),而得到具有“三明治”结构的含硫聚吡咯/氧化石墨烯复合材料(S-PPy-GO-PPy-S),再将S-PPy-GO-PPy-S煅烧得到氮硫共掺杂石墨烯纳米片(NSG)。制备的NSG具有独特的分级多孔片状结构,其氮元素和硫元素含量分别为9.05 at%和1.65 at%,且均匀分布在材料中。正是由于具备这种独特的分级多孔结构及拥有高含量且分布均匀的杂原子,NSG在酸碱环境中均表现出比商业Pt/C催化剂更优异的催化活性、抗甲醇性能和稳定性。(3)通过可控化学氧化,制备了一系列具有不同氧化程度的氧化碳纳米管(OCNTs-t),并将其作为碳前驱体合成了一系列具有特定氮含量及氮构型的氮掺杂碳纳米管(NCNTs-t)。探究了 OCNTs-t上不同含氧基团与对应NCNTs-t上不同氮构型的转换关系,并对不同氮构型在氧还原反应中的催化行为进行了分析。结果表明:NCNTs-t中掺杂N元素的含量与OCNTs-t中O的含量呈线性关系,并且吡啶型N由酮基(C=O)和羧基(-COOH)位点转化生成,而石墨型N则由羟基(-OH)环氧基(-C(O)C-)位点转化形成。此外,吡啶型N在氧还原反应过程中起主要的催化作用,其中,与吡啶型N相邻的碳原子是氧还原反应的催化活性位点。