近些年,人们对传统化石能源转型的迫切需求,以及发展环境友好型社会的观念深入人心,因此发展清洁能源迫在眉睫。清洁能源的高效转化及利用相关研究如燃料电池、金属空气电池、裂解水产氢技术、CO2向燃料转化技术、N2固定技术等已成为本领域的研究热点。目前,上述技术应用主要依托贵金属基催化剂材料来实现能量的高效催化转化和利用,如Pt、Ru、Ir等,贵金属催化剂催化、转化效果显著,然而价格高昂、储量有限,无法支撑新型能源转化技术的广泛、长期应用。开发碳载非贵金属单原子催化剂是实现非铂催化剂的有效手段,单原子催化剂具有独特的电子结构、金属与载体之间的强相互作用以及含有不饱和的氮配位结构等优点,可实现金属的高催化活性和金属的最大利用率。但是如何获得高活性、高稳定性且可以规模化制备的单原子催化剂仍然是一个挑战。基于此,本课题针对非铂催化剂的开发,主要集中在两个方面进行研究,一方面是对于碳载体的选取,另一方面是对于金属组分或非金属组分的调控。在基底材料上,选取有机小分子甲酰胺作为碳源和氮源,甲酰胺具有低毒廉价等优点,通过溶剂热反应制备高氮掺杂的碳材料,用于金属的螯合;选取无机晶体CaC2拓扑定向转换为石墨烯材料,可以作为导电基底材料。在金属组分的调控上,利用甲酰胺体系对金属组分和非金属组分的灵活适用性,调控金属与金属,金属与非金属的种类,研究它们对氧还原催化反应的作用,并利用同步辐射技术和电镜技术,验证催化剂结构与催化活性的构效关系。具体研究内容如下:(1)利用有机小分子(甲酰胺)的自聚合反应,实现氮掺杂碳材料的制备,并在甲酰胺体系中引入二维分子模板,进行碳材料的维度调控,进一步通过TEM、XPS和AFM等表征手段研究其反应机理;利用无机物CaC2与水的拓扑定向转化反应,实现高结晶态的少层石墨烯的制备,这两种在温和条件下制备碳材料的例子为碳材料的发展拓宽了思路。(2)单原子催化剂具有很高的比表面能,原子利用率高,在新能源领域具有不可比拟的优势,金属氮碳材料(MNC)是其中一类。本论文中,利用甲酰胺聚合得到的碳材料中丰富的氮配体螯合不同类型的金属,开发一种普适性的制备金属氮碳材料(命名为f-MNC)的方法,该方法操作简单,适用性和可调控性强,成本低廉,具有很大的潜力。(3)针对所得的金属氮碳材料(f-MNC)氮含量很高,材料的导电性差这一问题,提出了在温和条件下即可实现的解决方法:与导电基底材料(石墨烯或碳纳米管)复合,实现不同金属氮碳材料在不同基底的复合。利用材料中不同的金属活性位点,分别催化氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR),并表现出优异的催化活性。而且得益于该体系对金属种类和基底材料的灵活适用性,该方法可以拓展到AC@f-MnNC和SiO2@f-ZnNC等的制备,为后续开发高活性,高比表面积,高金属利用率的材料提供思路。(4)高温碳化处理可以使材料获得更好的导电性,利于电子的传输。本论文中在结构中引入易挥发的金属锌,可以很好的控制目标金属间的距离,避免在高温处理过程中金属的团聚。以此为出发点,我们制备了单金属f-FeNC900,f-CoNC900,双金属f-FeCoNC900,并在碱性和酸性电解质中表现优异的ORR催化活性。同时,通过在结构中引入杂原子S,调控金属位点的电子结构,促进氧还原过程对O2的吸附和O-O键的断裂,进一步提高单原子分散的金属氮碳材料的催化性能。本论文我们主要利用廉价含氮小分子-甲酰胺与金属间的化学反应特性,实现多种原子级分散的单一、多元金属催化材料的低成本、宏量可控制备,并在体系中引入非金属杂原子,调控活性位点的电子结构,进一步提高电催化活性,为面向多种清洁能源转化中的催化反应及利用技术的实施提供基础。