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燃料电池是一种高效的能源转化装置,在将燃料转化为电能的过程中可以达到60%的转化效率,且不受卡诺循环的限制,是一种十分有前景的新型电池。由于其阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)具有高能量壁垒,目前采用的Pt/C催化剂无法大规模商业化,因此急需高效又经济的催化剂,非贵金属碳基催化剂是一种有望替代商用Pt/C的催化剂,其成本较低,而且内部的活性位点可以得到充分利用,此外,碳基催化剂还可以额外掺杂活性元素,例如N、S等,进一步提高其催化活性,本文以上述研究成果为宗旨,以硬模板法做为指导,以聚苯胺(PANI)核壳微球作为前驱体,合成了 Fe、Co、N三元组分共掺杂的C空心微球,通过研究它的合成过程、合成条件,得出其催化原理,并进一步测试其电化学催化活性以及在锌空气(Zn-Air)电池上的应用。在本文方法中,首先合成前驱体N掺杂的空心微球(NDHC),然后经过ZIF-67(Zeolitic Imidazolate Frameworks,沸石咪唑酯骨架结构材料)的原位生长以及高温碳化,形成Fe/Co@NDHC微球,经过对合成过程的研究以及表征,结果发现形成了Fe-C,Co-C,吡啶氮(pyridinic-N)三种活性位点,为了进一步判断三种活性位点的掺杂状态,通过密度泛函理论(DFT)来计算不同活性位点掺杂情况下氧还原反应的反应自由能变化,发现最贴合实际的结果为三相活性位点共掺杂,进一步的表征发现这种中空结构具有很大的比表面积。制备的Fe/Co@NDHC具有高度分散的Co-C,Fe-C和pyridinic-N活性位点。在碱性溶液中测试其氧还原电位时,观察到极好的ORR活性,其起始电位(E0)为1.0003V,半波电位(E1/2)为0.9183V,优于市售的20 Wt%Pt/C(E0:1.02V,E1/2:0.86)。另外,与Pt/C碱性电解质体系相比,还观察到了优异的甲醇耐受性和长期稳定性。而且所制备的Fe/Co@NDHC同时具有良好的OER性能,经过测试发现OER过电势为1.56V。当其被用作锌空气电池的阴极时,Fe/Co@NDHC表现出出色的放电电压(1.2V),564 mAh g-1Zn的比容量和85mW cm-2的能量密度。可以推测,Fe/Co@NDHC这种性能是由于独特的双壳层多孔石墨烯结构与Co-C,Fe-C和pyridinic-N活性位点的协同效应共同导致的。