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为了促进可持续发展,绿色、可再生的燃料电池、超级电容器等清洁能源和过氧化氢传感器等环境监测技术正不断被开发出来,以满足日益增长的能源与环境需求。其中,如何针对这些新兴的能源与环境技术开发出恰当的电极材料,进一步缩小器件体积、并同时提高其能量转化效率和精确度是目前亟待解决的问题。本论文以类沸石咪唑结构(ZIFs)这种新型纳米材料为基础,设计并开发了一系列碳纳米电极。深入探究了电极材料的形貌和结构,研究二者与电化学性能之间的关系,深层次地阐明了ZIFs基碳纳米材料在能源与环境中的应用潜力。具体有以下三个方面:(1)通过引入含镍配位化合物的方式,设计并合成了基于ZIF-67的Co、Ni、N三元掺杂碳纳米材料。得到的碳纳米材料显示出了珊瑚或海绵状形貌,将离散的ZIF-67颗粒聚集成一个整体结构,提供了丰富的微孔隙率和高吡啶氮含量,并形成了 Co-N-C和Ni-N-C键作为多重活性位点。作为电极在酸性和碱性条件下的氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)均显示出了非常强的活性,EOER和EORR之间的过电位差值为0.78 V,ORR和OER的双功能性能超过了商业化Pt/C和大部分非贵金属催化剂。(2)通过ZIF-67与石墨烯复合形成三明治结构,以提高电子传输速率,并在此基础上,通过化学气相沉积(CVD)的方法掺杂硼原子,形成BNC键和Co2B键作为新活性位点,并使吡啶氮含量上升。将此电极材料用于H202检测,可以使线性响应范围提升至0.5 μM～60 mM,检测限低至0.19μM,响应时间约为3 s,性能优于目前报道的同类材料。检测范围在低浓度区(<0.5 mM)和高浓度区(>0.5 mM)的线性相关系数均能达到0.999以上。(3)通过将ZIFs引入气凝胶中并碳化的方式,设计并合成了 ZIF-7复合纤维素和壳聚糖气凝胶材料,碳化后得到的材料显示出三明治和串珠状的微观结构。这种ZIF-7与气凝胶纤维的复合,可以加快电子在一维或二维方向的传输,使内阻减小。该材料作为电极材料应用于超级电容器中分别显示出150.4F·g-1和173.1F·g-1的比电容和小于2Ω的电荷转移电阻,远高于碳化原料作为电极的比电容,是理想的超级电容器电极材料。