随着人类社会的不断发展,对于能源的需求和环境的要求日益迫切,而宝贵的化石资源(石油、天然气、煤炭等)作为燃料燃烧不仅造成了巨大的浪费,而且会引起严重的环境。因此,开发新的能源形式就成为了人类社会可持续发展的要点。就目前而言,风能、太阳能、潮汐能等新型绿色、可循环能源形式受到广泛的关注,具有巨大的应用潜力,但是依旧会面临地域、天气气候变化等问题的挑战,因此需要新的能量存储与转换形式将能源的应用范围进行拓展,提高能源的利用效率。在这些新型装置中,燃料电池以及可充放电的金属-空气电池是两种备受关注的方式,但受限于稀有金属催化剂的使用等因素造成价格高昂,一直未能实现规模化推广应用。因此,发展经济高效的催化剂,降低成本成为了推动燃料电池和金属-空气电池实用化、规模化的重点所在。论文作者致力于以纳米碳材料(碳纳米管、石墨烯等)为基础,通过与其他成分/材料的复合以及优化结构,探索开发具有高性能、低成本特性的纳米复合材料,并应用于能量存储与转换装置。另外,本文中提出的纳米碳材料基复合材料的制备、表征以及结构探索可为该领域的研究工作提供一定的参考价值。本论文将从以下四个方面对作者的研究工作进行展开和说明:1、以双氰胺同时为碳源和氮源,使用钴盐作为催化剂,将二者混合研磨,在高温管式炉中煅烧,酸洗后得到包裹钴纳米颗粒的N掺碳纳米管复合材料(Co@NCNT)。本课题通过优化温度以及催化剂的选择,发现700摄氏度条件下制备的Co@NCNT具有比Ni,Fe基催化剂得到的材料在氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应的催化中具备更好的电化学效能,其双功能特性也优于文献上所报道的其他一些材料。在锌-空气电池评价中,作者发现相较于昂贵的Pt/C材料,Co@NCNT展现了更好的持续稳定性,具有一定的实用价值。2、于导电基底碳纸上生长氧化钴(CoOx)的前驱体阵列,通过粘稠的DMF溶液将PVDF覆盖于其表面,在Ar气保护的氛围与双氰胺存在的情况下对进行高温热解,获得多孔氮掺杂碳包覆的氧化钴(CoOx@NC)阵列。氧化钴具有一定的OER和ORR性能,多孔碳的包覆有利于提升阵列表面的导电性,降低电子转移阻抗;与此同时,氮掺杂碳兼具一定的OER和ORR活性。二者的协同作用很好地增强了 CoOx@NC阵列在这两个过程的电催化反应活性。该阵列可以直接用作锌-空气电池中氧电池,避免了不必要的添加剂的引入,表现了良好的性能和超越Pt/C、IrO2/C的充放电稳定性。3、在氧化石墨烯上生长金属-有机框架材料(ZIF-67),进一步引入Ni,通过氩气氛围下的高温煅烧之后在空气中处理,获得了负载着镍钴氧化物的Co、N修饰石墨烯的复合物。研究结果表明,石墨烯的引入较大程度的降低了电化学反应阻抗,提高了电化学比表面积和BET比表面积,有效地提升了 ORR和OER反应活性;Ni元素的加入形成了镍钴氧化物,在保持相近的ORR性能的同时,高效地改善了其OER电催化活性。4、以ZIF-67模板,在氩气氛围下引入含氮和碳的小分子,再经过磷化,得到钴/磷化钴(Co/CoP)嵌入于碳纳米管/空心碳多级结构的复合物。得益于良好的结构设计,Co纳米颗粒分散于碳纳米管中,CoP则分布于空心碳表面,碳纳米管的存在也可以提高整体的导电性,因此产物具有更高的电化学比表面积、更低的阻抗,相较于未引入有机分子的一级结构具有更好的ORR、OER和HER (氢析出)催化反应活性。