时至今日,探索如何创新地设计和简单地制备出同时具有氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)特性的双功能、低花费的电催化剂,对于诸如燃料电池和金属空气电池等进行可循环能源储存和转移的技术来讲,已成为重中之重。在此论文的第一部分中,我通过一种简单且直接的生长方式,即固相焙烧ZIF-67和尿酸,构建出了一种以氮元素掺杂的碳纳米管中包覆金属Co单质的异质结构(Co-NCNTs)。在此,尿酸(UA)被视为碳纳米管的引发剂:它能够在较低温度下(440℃)发生热分解,进而产生易于通过渗透作用进入ZIF-67多面体中的碳质气氛。该碳质气氛能够为同时原位产生的Co金属纳米粒子提供在升温过程中催化生长N-CNTs的气源。由于纳米催化剂是在表面优先生成的,因此CNTs在随后的生长过程中将会在ZIF-67多面体上由内向外定向生长,直至形成类球状的纳米管簇。此外,尿酸也作为催化剂中石墨结构的诱导剂。最终得到的催化剂,具有典型的蠕虫状CNTs结构,同时也具有以下一些独特的优点:(1)由于一维的CNTs具有典型的石墨结构,因此将会提升催化剂的导电性;(2)Co-NCNTs-700由于具有最大的比表面积和明显的介孔纹理,因此将会暴露更多的高效活性位点;(3)居于CNT顶端的核壳结构(Co@NC)能够高效地增加催化剂与电解液的接触机会;(4)原位合成的独特且均匀地CNTs结构将会有利于提升材料的电子转移和耐受性能。以上所提及到的四点因素所产生的协同作用,最终确保了 Co-NCNTs-700电催化剂,表现出了在碱性介质中杰出的ORR和OER双功能催化活性。此外,使用该催化剂作为构建锌空气电池的阴极材料,显示出了良好的测试效果,这也证明了该催化剂在能源储存与转化技术中具有独特的应用潜力与广泛的适用性。在本论文的第二部分工作中,不同于直接焙烧固相前驱体的方式,我首先采用了通过简单的溶剂热方式溶解合适比例的ZIF-67和尿酸(质量比2:1),然后进行焙烧操作后,构建起了双壳层纳米笼结构(DSNCs)。尿酸由于具有较高的碳氮含量,因此在升温过程中会分解出大量的碳质气体。这些挥发出的气体将会导致碳壁上产生介孔结构。此外,在焙烧过程中产生的Co纳米粒子将会催化剩余的含碳有机物,在DSNCs的外壁上产生凸出短小的CNTs结构,最终使得外壁主要由致密地N掺杂的石墨型碳组成,而DSNCs的内壁主要是由Co、N掺杂的介孔碳壁构成。DSNCs催化剂在ORR和超级电容器中展现出了绝佳地应用效果。例如,当将温度升至700℃时,DSNCs-700将展现出与20wt%Pt/C催化剂可比地ORR催化活性。此外,DSNCs-700也被应用在超级电容器的电极材料中,最终展现出了卓越地稳定性,明显的电容效果,以及在不同电流密度下良好的倍率特性。