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基于燃料电池及水分解制氢的综合能源系统是未来理想的能源循环体系。本论文围绕探索和制备用于燃料电池和电解水系统的新型高效非贵金属电催化剂,并深入探究新型催化剂的催化机理,取得了以下结果:1.利用廉价的原料经过简单的方法首次制备了一类不含任何过渡金属元素成分的新型低成本非贵金属氧还原催化剂(CPMPDA-NaCl),该催化剂与研究领域内已报导的其他非贵金属ORR催化剂比较表现出最好的催化活性,具有最小的碱性条件ORR理论过电位。该催化剂在0.1 MKOH电解液中,极限扩散电流达到4.05 mA/cm-2,半波电位为0.905 V,过氧化氢产率低于7%,计算获得的单个氧分子转移电子数为4,是经过直接4电子还原反应将O2在电解液中还原为OH-,最小的理论过电位仅为0.369 V。CPMPDA-NaCl的催化活性甚至优于目前最好的应用于燃料电池ORR催化体系的Pt/C催化剂。同时具有市场推广应用的前景。2.结合理论计算,首次提出了“耦合离子对诱导离域化活性中心(ICDAS)”模型。该ICDAS催化剂是一种完全不同于已有ORR催化剂的新类型。3.ICDAS催化剂催化活性位点由Na-Cl耦合离子对和石墨型N掺杂形成的q-N-C基团通过特殊相互作用结合的多原子中心构成,形成“-C+n-Cl--Na+-N--C+m-”高活性ORR催化活性中心。与传统的N掺杂C催化剂相比,ICDAS催化剂通过耦合离子对诱导增强效应,改变了催化剂材料表面的电子结构,获得了优异的催化性能。4.Na-Cl离子对诱导活化了碳基催化剂中原本不具有ORR催化活性的石墨型N掺杂基团q-N-C,将其理论过电位从1.08 V大幅缩减至0.369 V。5.“耦合离子对诱导离域化活性中心(ICDAS)”具有普遍性,理论上可以用于构筑和增强所有以N掺杂C结构为基础的ORR催化剂。为高效ORR催化剂的设计提供了新的思路。6.用含Co的MOF类材料(ZIF-67)制备了一种具有特殊微观结构的菱形十二面体双功能催化剂(Co@Co3O4-NC)用于高效的电催化水全分解。Co@Co3O4-NC结构为表层被氧化的Co纳米颗粒镶嵌在N掺杂的C骨架中。相对于完全氧化的Co3O4-NC催化剂,Co@Co3O4-NC具有丰富的金属/半导体Schotty结。外层Co3O4壳层作为高效的电荷分离功能层进行电荷的交换分离,而中心金属Co核心由于具有良好的导电性将Co3O4壳层交换分离的电荷迅速传递至主体导电碳框架从而有效地增强了电催化活性。电流密度为10mAcm-2时Co@Co3O4-NC的HER过电位为221 mV,OER过电位为391mV,Co@Co3O4-NC作为双功能催化剂进行水全分解所需电压为2.004 V。