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本论文针对能源转换中重要的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)所存在的诸如动力学迟缓、成本高、丰度低及稳定性差等问题,设计制备了一系列异原子掺杂的类石墨烯基功能纳米材料,探究了不同异原子掺杂调控电化学性质、引入电催化活性位点的原理方法,并揭示其影响电催化反应的机理,主要研究内容如下:1、利用高温煅烧法制备了铁酸钴/氧掺杂氮化碳(CoFe204/O-C3N4)二元纳米复合材料。结果表明,O-C3N4纳米片载体的存在,有效地减小了 CoFe2O4纳米粒子的粒径,同时改善了其分散性;OER性能对比研究发现,在电流密度达到10 mA/cm2 时,优化条件所得的 CoFe2O4/O-C3N4-40 的过电位比 CoFe204/g-C3N4和CoFe204分别降低了 61和131 mV,且其导电性和长期稳定性也得到了很大的提升,这是由于均匀分散在O-C3N4纳米片上的CoFe204纳米粒子会暴露更多的活性位点,CoFe204和O-C3N4可能存在协同作用,加速了电子的传递速率,从而提高催化性能。2、利用高温煅烧法制备了钴氧化合物/氮杂石墨烯/石墨相氮化碳(CoOx/NG/g-C3N4)三元纳米复合材料。对比研究发现,引入NG可以有效地阻止CoOx纳米粒子的聚集,而进一步掺入g-C3N4会使CoOx/NG/g-C3N4呈现褶皱和交联的结构,且可以有效地增加其吡啶N含量和O空穴数,从而改善CoOx/NG/g-C3N4的ORR和OER性能。ORR性能研究证实,引入NG后,CoOx/NG纳米复合材料的起始电位(Eonset)和半波电位(E1/2)比CoOx纳米粒子的依次正移了110和100 mV;g-C3N4进一步掺入后,所得的CoOx/NG/g-C3N4的Eonset和E1/2又依次正移了 40和110mV,其催化性能不但与商业化的Pt/C相当,而且其长期稳定性和抗甲醇氧化能力均优于商业化的Pt/C;同时所得的CoOx/NG/g-C3N4还兼具良好的OER性能,其在电流密度为10 mA/cm2时对应的过电位比CoOx/NG 和 CoOx 分别 降低了 160 和 180 mV。3、以NH4B5O8为B源和N源,采用水热/冷冻干燥法制备了一系列三维多孔B、N共掺杂的石墨烯气凝胶(BN-GAs)复合材料,该法仅通过调节水热时间和前驱体的比例,就可实现BN-GAs中B和N含量和类型的调控。电化学性能研究表明,BN-GAs中吡啶N和BC3键含量增加,可以改善其ORR催化性能;优化条件所得的BN-GAs-2的Eonset和E1/2分别为-0.05和-0.20 V,其性能不但接近于商业化的Pt/C,而且其长期稳定性和抗甲醇氧化能力都远远超过商业化的Pt/C;同时,BN-GAs-2亦具有优异的OER性能,当电流密度达到10mA/cm2时,其过电位比单一异原子掺杂(N或B)的GAs分别降低了 70和200 mV;进一步将BN-GAs-2作为锌-空气电池的电极材料,其最大功率密度为商业化Pt/C的88.9%,并表现出良好的长期稳定性。电化学性能的增强可能是由于三维多孔结构利于电子的转移,且吡啶N和BC3键间的协同效应使BN-GAs的电催化性能提升。