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环境污染与能源危机严重影响了人们的生存与生活质量,其中水污染与大气污染对人们生活影响更为广泛,多相催化技术不仅能应用在污水处理,高效降解水中污染物为无毒无害的产物,还能应用于能源储存与转换器件,促进能源的清洁高效利用,既能从源头上解决化石能源低效利用引起的大气污染问题,又能缓解化石能源短缺危机。金属/氧化物复合材料是一种研究较为广泛的多相催化材料,尽管其在污水处理和能源储存与转换领域取得了一系列进展,但目前的研究仍然存在以下问题:(1)针对特定反应体系,贵金属复合催化材料缺乏合适的界面环境和活性位,导致其催化反应活性不高;(2)尽管目前贵金属复合材料的催化活性比非贵金属材料普遍较高,但由于其成本较高,稳定性较差,商业化难度较大;(3)虽然已开发出性能优异的非贵金属复合催化材料,但由于只具备单一功能,难以应用在需求双功能性能的电化学储能器件中。因此,开发设计应用于环境与能源领域的高效、低成本、高稳定性和具备优异单、双功能性能的多相催化材料具有重要意义。基于目前复合材料在环境与能源催化中存在的三个问题,本文以金属/氧化物复合催化材料为研究对象,通过优化设计和有效构筑金属/氧化物界面,分别考察了其在催化还原硝酸根以及电催化氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)和氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)中的应用。具体研究内容如下:(1)首先,为了替代催化还原硝酸根反应中存在安全隐患和利用率低的还原剂(H2),改用更经济、高效的HCOOH作为还原剂前驱体。其次,由于传统PdCu负载型催化材料缺乏合适的界面环境和活性位,因此,采用氨基(-NH2)修饰载体SiO2以改善金属/氧化物界面环境,促进金属活性相Pd的均匀分散,采用控制表面还原法沉积助催化剂Ag,得到负载于SiO2-NH2上的PdAg合金纳米颗粒。制备的PdAg/SiO2-NH2表现出优异的催化还原硝酸根性能,一方面,由于-NH2修饰了金属/氧化物界面,不但有利于活性相金属的均匀分散,还能促进HCOOH的有效分解;另一方面,与传统的助催化剂Cu相比,助催化剂Ag与Pd之间具有较大的功函之差,因此,更有利于电子从Ag转移至Pd的表面。这两方面都能有效促进HCOOH分解产生原位氢源H2和pH缓冲剂C02,从而促进硝酸根的还原。(2)由上一部分工作可以发现,贵金属材料具有优异的催化性能,事实上,其在ORR电催化反应中也表现出很高的活性,但是贵金属材料储量稀少、成本较高,而且稳定性较差,难以实际应用。因此,为了代替目前ORR性能较好的贵金属电催化材料,这部分工作旨在开发ORR活性、稳定性和抗甲醇性能均优于商业Pt/C的非贵金属电催化材料。首先,为了满足电催化材料对多孔性的需求,以中空多面体结构的Co基ZIFs作为原位模板,在ZIFs前驱体中引入高温下容易挥发的Zn元素,得到的Co3O4/Co@N-C复合电催化材料具有较大的比表面积和合适的孔结构。其次,通过有效构筑金属/氧化物(Co/Co3O4)界面,界面处的金属Co能够促进电子在碳基体与氧化物之间的传输,提高氧化物(Co3O4)电催化材料的导电性。最后,通过结构表征与性能对比分析发现,Co304/Co@N-C-1由于具有较大的比表面积、合适的孔结构和Co3O4与Co形成的有效电荷传输界面,表现出比商业Pt/C更优异的电催化ORR活性、稳定性和抗甲醇能力。(3)虽然上一部分工作得到具有较好ORR性能的非贵金属/氧化物复合电催化材料,但是一些储能器件需要电催化材料具备ORR和OER双功能,因此,在上一部分工作的基础上,这部分工作改用中空海胆状Co3O4作为原位模板,通过葡萄糖水热包覆和在氨气氛围中煅烧,得到具有优异ORR和OER双功能性能的非贵金属基复合催化材料CoO/Co@N-C。同样为了满足对电催化材料多孔性和导电性的需求,一方面,以中空海胆状的Co3O4微球为原位模板,可以不必去除模板就能制造丰富的大孔和介孔以利于传质过程;另一方面,采用中空海胆状的Co3O4微球作为钴源,衍生形成的纳米CoO/Co复合活性相同样具备有效的电子传输界面,促进电子在氧化物与碳基体之间的顺利传输。由于有效的Co/CoO界面以及三种成分的协同作用,CoO/Co@N-C复合电催化材料表现出比商业Pt/C和Ir/C更优异的ORR和OER双功能性能。