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电能已成为当今社会中的一种通用能源，化学能转化为电能的装置成为能源化学领域的重大研究方向，而如何获得电化学反应效率是研究者关注的重要课题。氧气还原反应(Oxygen Reductive Reaction，ORR)、氢气氧化反应(Hydrogen Oxidative Reaction，HOR)和肼氧化反应(Hydrazine Oxidative Reaction，HzOR)是燃料电池、金属空气电池等化学能转化电能装置中最重要的电极反应过程，其中转化装置的能效主要决定于电化学催化剂的性能和成本。本文以模板法制备了一系列高比表面积的Fe-N/S/P掺杂三维多孔碳材料，表现良好的ORR催化活性;在该三维多孔碳材料表面负载了Ni/Cu/Pd/Pt纳米金属或合金颗粒后，表现出良好的OER和HzOR催化活性。具体研究内容和研究结果如下:
(1)高比表面积三维多孔碳材料的制备及其ORR催化性能研究。以廉价易得的葡萄糖、双氰胺、硫脲、植酸分别作为碳、氮、氮硫、氮磷源，以NaCl为模板，通过冷冻干燥和热解碳化法合成了具备杂原子掺杂的超薄碳壁构建地三维多孔结构高比表面积碳材料。SEM和TEM表明该类碳材料具有蜂窝状、连贯性和开放性孔道结构，碳壁厚度为7nm，碳腔约500nm;BET测试数据表明比表面积最高可达1000m2/g。在此基础上采用KOH和ZnCl2刻蚀剂对材料的孔结构进一步进行调控，在优化条件下，葡萄糖和双氰胺体系经过ZnCl2的修饰及900℃二次热处理后的ORR催化活性的半波电位高达0.903V(vs.RHE)，催化活性高于商业Pt/C(20wt.％)。
(2)三维多孔碳载Ni/Cu/Pd/Pt纳米金属或合金颗粒的制备及其电催化性能研究。以三维多孔碳材料为基底，采用浸渍和乙二醇还原法负载Ni/Cu/Pd/Pt金属或二元及三元合金纳米颗粒。经过研究发现在基底碳上负载Ni(20％)及NiCu合金(Ni∶Cu为1∶4)时，除了表现出原有碳材料的ORR催化活性之外，还表现良好OER和HzOR催化活性，甚至优于商业Pt/C(20wt.％)。这得益于所得的三维多孔碳具有高比表面积、蜂窝状孔道结构、表面丰富的杂原子掺杂位点以及优良的电子导电性，成为电催化剂的优良载体。
(1)高比表面积三维多孔碳材料的制备及其ORR催化性能研究。以廉价易得的葡萄糖、双氰胺、硫脲、植酸分别作为碳、氮、氮硫、氮磷源，以NaCl为模板，通过冷冻干燥和热解碳化法合成了具备杂原子掺杂的超薄碳壁构建地三维多孔结构高比表面积碳材料。SEM和TEM表明该类碳材料具有蜂窝状、连贯性和开放性孔道结构，碳壁厚度为7nm，碳腔约500nm;BET测试数据表明比表面积最高可达1000m2/g。在此基础上采用KOH和ZnCl2刻蚀剂对材料的孔结构进一步进行调控，在优化条件下，葡萄糖和双氰胺体系经过ZnCl2的修饰及900℃二次热处理后的ORR催化活性的半波电位高达0.903V(vs.RHE)，催化活性高于商业Pt/C(20wt.％)。
(2)三维多孔碳载Ni/Cu/Pd/Pt纳米金属或合金颗粒的制备及其电催化性能研究。以三维多孔碳材料为基底，采用浸渍和乙二醇还原法负载Ni/Cu/Pd/Pt金属或二元及三元合金纳米颗粒。经过研究发现在基底碳上负载Ni(20％)及NiCu合金(Ni∶Cu为1∶4)时，除了表现出原有碳材料的ORR催化活性之外，还表现良好OER和HzOR催化活性，甚至优于商业Pt/C(20wt.％)。这得益于所得的三维多孔碳具有高比表面积、蜂窝状孔道结构、表面丰富的杂原子掺杂位点以及优良的电子导电性，成为电催化剂的优良载体。