随着人类社会的高速发展,人类对能源的需求与日俱增。过去几十年间,大量化石能源被消耗,带来了严重的环境污染和能源枯竭的问题。为了人类社会的长远发展,需要发展清洁能源技术。目前,先进能源器件如燃料电池、电解水产氢装置中的催化剂均对贵金属Pt高度依赖。Pt金属储量少,价格昂贵,显著提升了清洁能源的使用成本。因此需要寻找合适的高效低成本氧还原催化剂和析氢催化剂以降低先进能源材料对Pt的依赖,降低成本。针对这些问题,本文从以下两个方面进行了无铂催化剂的研究。首先,针对氧还原反应,设计了一种新型三嗪环结构掺杂碳材料(triazine-ring doped carbon,triNC)。实验上,采用有机氰化物聚合并碳化的方法,在碳材料中引入了独特的三嗪环结构单元(C3N3)掺杂。红外吸收光谱(FTIR)证明了碳材料中存在三嗪环结构单元。通过紫外光电子能谱(XPS)测试,证明了在三嗪环掺杂结构单元中,碳原子与两个氮原子配位。在氧还原催化性能测试中,三嗪环掺杂碳材料表现出了优异的催化活性(起始电位0.98 V,半波电位0.85 V),其性能远超过传统吡啶氮掺杂碳材料,甚至超过商用Pt/C。在锌空电池应用测试中,三嗪环掺杂碳材料在能量密度、功率密度和耐久性等方面也表现出了超过Pt/C的优异性能。理论计算表明三嗪环掺杂碳材料出众的氧还原催化活性主要来自于三嗪环结构中独特的两个氮原子配位碳位点(C-N2位点)。相比于传统的氮掺杂碳(C-N)材料,C-N2位点表现出了更高的局域化程度和更强的氧吸附性能,更加有利于氧还原性能的提升。氧还原催化历程模拟也表明C-N2位点上反应动力学阻力更小。这一工作为碳基催化剂的设计提供了一定的理论指导。随后,将三嗪环掺杂碳材料作为碳载体负载Ru金属,制备了 Ru/triNC材料,研究了其作为析氢催化剂的性能。为了探究不同碳材料载体负载Ru对其析氢催化活性的影响,分别使用炭黑和氮掺杂炭黑作为载体分别负载Ru金属测试其性能。通过紫外光电子能谱(UPS)和X射线光电子能谱(XPS)测试发现,由于Ru金属和碳载体功函数的差异,两者间会产生接触电效应,发生由Ru向碳载体的电荷转移。并且由于碳载体的不同,电荷转移的程度有所差别。在载体中掺氮会显著增强接触电效应,而Ru负载在三嗪环掺杂碳材料上时电荷转移程度最高。性能测试表明Ru的析氢性能与电荷转移程度呈显正相关。Ru/triNC材料表现出了极高的碱性析氢活性(10 mA cm-2处过电势仅为2 mV),远超过商用Pt/C,是一种高性能析氢催化剂。通过对材料的比贵金属质量活性进行计算,Ru/triNC相比于商用Pt/C表现出了明显的成本优势(贵金属质量活性达到778.2 mA mgRu-1,超过商用Pt/C的十倍以上)。并且,通过理论计算,证明了 Ru与碳载体间会发生电荷转移过程,这种电荷转移可以有效调控Ru金属表面的氢吸附能力,进而调节其析氢活性。这一研究为设计高性能复合型催化剂提供了新思路。