根据近几年社会的全速发展,我国的化石能源已经严重短缺,超级电容器和燃料电池由于其价格低廉、高比能量、高功率密度、长循环寿命、应用范围广泛的优点得到了研究工作者的热切重视。而电催化剂在超级电容器阳极反应和燃料电池的阴极反应-氧还原反应(ORR)中占据了决定性地位。到目前为止,最有效的催化剂是Pt及其合金,但是它们的高成本、交叉效应和耐用性差的缺点严重限制其广泛的商业化。因此,寻找与Pt有着可比较或更优越的催化性能和商业可用性的非贵金属甚至不含金属的催化剂吸引了工业和学术研究者的巨大关注。近些年来,高导电性、低成本、循环寿命长的碳材料作为替代Pt及其合金的电催化剂已经成为人们研究的热点。例如,石墨烯、碳纳米管已在超级电容器、燃料电池和化学/生物传感等方面展现出了巨大的应用前景。本论文的主要研究工作如下:(1)以石墨烯、氧化处理的碳纳米管和氨水为原料,在180℃下采用一锅水热法制备了氮掺杂石墨烯-碳纳米管复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)表征了所制备的催化剂N-GOx@CNTsy的形貌和组成,通过循环伏安(CV)、重力充放电(GCD)测试研究了催化剂N-GOx@CNTsy在碱性电解质中超电容性能。结果表明:水热法不仅没有破坏碳纳米管、石墨烯的结构,而且还成功制得分散均匀的氮掺杂石墨烯-碳纳米管复合材料。催化剂N-GO1@CNTs2展示出最好的超电容性能,比未处理的碳纳米管、石墨烯高出几十倍。(2)以碳纳米管、多巴胺、三羟甲基氨基甲烷(tris)为原料,采用高温热处理法制备了氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)。通过SEM、TEM和XPS考察了所制备的催化剂N-CNTs的表面形貌和组成,使用CV、旋转圆盘电极(RDE)和旋转环盘电极(RRDE)测定了催化剂N-CNTs在碱性电解质中氧气还原性能及其抗甲醇氧化性能。结果表明:热处理法制备的样品分散均匀,并且经过高温煅烧碳纳米管的结构没有被破坏;并且成功地在碳纳米管表面包覆了一层薄薄地薄膜,很好地解决了碳纳米管分散性差的难题;验证了900℃和多巴胺浓度2mg/mL为最佳热处理温度和最佳包覆浓度;2mg/m L N-CNTs-900展现了一个接近4e转移过程、良好的稳定性和抗甲醇氧化性,说明2mg/m L N-CNTs-900良好的氧气还原性能。(3)以碳纳米管、多巴胺、无水三氯化铁(FeCl3)、三羟甲基氨基甲烷(tris)为原料,采用高温热处理法制备了氮掺杂碳量子点(N-CQDs)。通过TEM、SEM和XPS测试考察了所制备的催化剂N-CQDs的表面形貌和组成,使用TGA测试分析了无水氯化铁和碳纳米管的反应机理,使用CV、旋转圆盘电极(RDE)和旋转环盘电极(RRDE)测定了催化剂N-CQDs在碱性电解质中氧气还原性能及其抗甲醇氧化性能。结果表明:通过热处理法成功制备了氮掺杂碳量子点;当无水氯化铁与碳纳米管的质量比为2:1时,N-CQDs展示出最佳的氧气还原性能;而且N-CQDs展现了一个接近4e转移过程、良好的稳定性和抗甲醇氧化性,说明N-CQDs有着与Pt/C相媲美的氧气还原性能。