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燃料电池具有高效和环境友好的独特优势。质子交换膜燃料燃料电池和碱性燃料电池是当前能源领域中的一个重要研究热点,开发低成本、高效率、稳定性好的非贵金属甚至是无金属阴极氧还原催化剂对于燃料电池走向规模化应用具有十分重要的意义。本论文围绕着氮掺杂、磷掺杂碳纳米笼及CoOx/NCNCs复合催化剂的设计、合成及氧还原性能开展了较为系统深入的研究。主要的研究进展如下：1.氮掺杂碳纳米笼(NCNCs)的制备及其氧还原性能研究。自2009年L. M. Dai研究组关于氮掺杂碳纳米管的无金属氧还原催化性能的报道以来,掺杂碳材料无金属氧还原催化剂的研究受到了广泛关注,取得重要进展,但在如何简便、高效地开发比表面积高、杂原子种类及含量可调、导电性好(高结晶度)的碳基纳米材料方面进展缓慢。本文以吡啶为前驱物,采用原位MgO模版法制备出了具有高比表面、丰富孔道结构、高石墨化程度的新型氮掺杂碳纳米笼。这种新颖的NCNCs表现出了显著优于氮掺杂碳纳米管的氧还原催化活性,并具有优异的抗甲醇渗透和CO中毒能力及长时间稳定性。由于所使用的模板不含Fe、Co、Ni等具有氧还原活性的金属物种,澄清了碳氮材料氧还原可能源于过渡金属杂质的学术争议,证实了氮掺杂sp2碳材料自身就是优良的氧还原催化剂。2.磷掺杂碳纳米笼的制备及其氧还原性能研究。目前对于磷掺杂提高碳材料氧还原性能的有效性还缺乏令人信服的实验证据,也几乎没有相关的理论研究,系统深入地研究磷掺杂对碳纳米材料氧还原性能的影响依然十分重要。本文以三苯基膦&苯为前驱物,采用原位MgO模版法合成了高比表面积、可调磷含量、高石墨化程度的磷掺杂碳纳米笼。磷掺杂碳纳米笼表现出了与氮掺杂碳纳米笼截然不同的氧还原性能——随着磷含量的增加,其氧还原性能逐渐减弱,即磷掺杂会降低碳纳米笼的氧还原性能。理论模拟初步探讨了这一实验现象的机理：在氧还原反应过程中,氧原子与磷原子键合很强,会阻碍后续氧还原反应的进行。3.混合价CoOx/NCNCs催化剂的构建及氧还原性能。氮掺杂碳纳米笼具有大比表面积、高氮含量和高石墨化程度等优点,使其成为复合催化剂的理想载体。我们采用微波辅助乙二醇还原法,不用任何预处理,成功地将尺寸为2～5nm的钻氧化物纳米晶方便地负载到NCNCs上。这种CoOx/NCNCs复合催化剂表现出了优异的氧还原活性和超高的稳定性,即使在连续运行100小时后还保持着94%的电流密度。其优异的性能主要来自于由于N的参与带来的CoOx/NCNCs催化剂的独特性质。4. Fe-N/C催化剂的构建及其酸性介质中的氧还原性能初探。就当今研究进展来看,工作于酸性电解液的质子交换膜燃料电池更接近市场应用,因而开发酸性条件下的非贵金属氧还原催化剂显得更为迫切。作为PEMFC中最接近实用的非贵金属ORR催化剂,M-Nx/C催化剂通常需要丰富的N原子,因而具有高比表面、丰富孔道结构、高氮含量等优点的新型碳载体对于开发氧还原性能优异的M-Nx/C催化剂可能发挥独特的作用。本文以NCNCs为载体,制备了在酸性条件下具有优良氧还原性能的Fe-N/NCNCs催化剂,其起始电位达～0.45V(vs.Ag/AgCl)。