随着全球人口的增长,能源需求的增加以及气候变化的迫在眉睫,人们对能源未来的安全性提出了重大关切。氢气析出(HER)、氧气还原(ORR)等为代表的能源电催化是电解水制氢、燃料电池、金属空气电池等下一代清洁高效能源系统的核心技术,也是关键瓶颈。目前,最先进的、商业化的HER/ORR电催化剂多是基于Pt基纳米材料的,然而,Pt资源稀缺,价格高昂,且稳定性较差,限制了其广泛的技术应用。碳材料由于其物理化学性质稳定、表面积大、导电性好、形态可调控、制备容易并且具有经济可行性而广受研究者关注。但是,纯碳材料的电催化活性很有限,需要将其通过各种手段进行改性来提高活性,主要有两个方向:一是碳材料与非贵金属化合物复合,两者协同作用,使导电性和暴露的活性位点增加,从而提高电催化活性;二是碳材料自身作为活性相,通过杂原子掺杂,激活催化活性。本文围绕杂原子掺杂改性碳基材料的合成及电催化性能开展工作,重点研究了其制备过程和电催化性能改善机理,主要从以下两方面进行论述:1.设计并合成了一种具有双壳结构的氮掺杂碳@MoSe2(NC@MoSe2)空心纳米盒,该纳米盒由MoSe2超薄纳米片构成的外层与支撑的内部氮掺杂碳层组成。值得注意的是,两个紧密集成的壳不仅继承了每个组分的优点,而且还带来了优良的协同效应,极大地增强了它们的电导率、电催化活性和稳定性。此外,由于密度减小,比表面积增大,离子扩散和电子转移路径缩短,这种空心纳米结构将使混合组分的功能优势最大化。通过密度泛函理论(DFT)计算,本文合理地揭示了MoSe2壳层厚度对双壳结构NC@MoSe2空心纳米盒电催化活性的影响,并确定了其最佳厚度。2.以聚苯乙烯(PS)纳米球作为模板,通过静电吸附作用将石墨烯(GO)包裹于其外面,首先形成PS@GO的核壳结构。随后,分别以三聚氰胺和硫粉作为氮源和硫源,通过煅烧除去PS的同时,成功合成了N,S共掺杂石墨烯空心球(NSGHS)。这项研究的主要重点是开发一种高性能的不含金属的ORR电催化剂来代替Pt/C,并深入探究多元素掺杂产生的协同效应。通过选择高活性的S和N原子作为掺杂剂,我们获得了具有出色ORR性能的双掺杂NSGHS催化剂,其可与商业Pt/C媲美,并且明显优于仅掺杂S原子(SGHS)或N原子(NGHS)的石墨烯催化剂或双掺杂的石墨烯纳米片。NSGHS的优秀性能可以通过其对C原子的双重激活来解释,实验数据和量子化学计算都证明了这一点。再者,通过高温煅烧除去PS模板剂的同时,获得的NSGHS结构中也能形成更多的介孔和微孔。这些形貌结构的形成将显著增加催化剂的比表面积,有利于活性位点的暴露、ORR过程的传质和电子转移。这种NSGHS材料不仅可以替代昂贵的Pt/C作为低成本燃料电池催化剂,而且在锂-空气电池,光催化和异催化等其他应用中也具有潜力。