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现如今,严重的环境污染和能源储存亟需开发新型的可持续和再生能源技术。在众多新研究的材料中,多孔碳材料发挥着重要的作用,尤其是在燃料电池、超级电容器和锂硫电池等中的应用。由含氧或氮原子的有机配位体与过渡金属或稀土金属通过自组装链接而形成的金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)成为近些年来广受关注的一类新型多孔材料。基于高比表面积、结构可控以及富含有机物质等优点,近期MOFs被作为优秀的模板或前驱体制备出新型结构和性质的纳米多孔碳材料。作为MOFs的子族,沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)是由过渡金属和咪唑配位基形成类似于沸石结构的三维四面体框架。ZIFs的高热稳定性和化学稳定性以及咪唑配位基中富含的氮源,使其成为制备性能优异的氮掺杂多孔碳的理想前驱体。主要的工作内容及成果如下所示。在本研究中,我们以ZIF-7为前驱体和不同的额外碳源成功地制备出ZIF-基原位氮掺杂多孔碳材料(简称ZIF-基多孔碳)。探究了在ZIF-基多孔碳制备过程中的各种影响因素,如前驱体与额外碳源的混合方式(液相混合和固相混合)、碳化温度(750、850、950和1000℃)、额外碳源量(0.2、0.5和0.8mol/L葡萄糖水溶液)以及不同的前驱体(ZIF-7和ZIF-8)和不同的额外碳源(葡萄糖、呋喃甲醇、乙二醇和丙三醇)等因素对材料结构及其形貌的影响。将ZIF-基多孔碳作为超级电容器的电极材料,通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电、电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试来表征其性能。结果表明：将前驱体ZIF-7与额外碳源葡萄糖液相混合后在950℃下碳化制备的Carbon-L-950作为超级电容器的电极材料,6mol/L的KOH电解液中在电流密度为0.1A/g时比电容高达228F/g,即使在高电流密度10A/g下比电容仍为178F/g,且经过5000充放电循环后仍能保持94%,进一步说明该材料的稳定性较好。在工作电极的制备中没有任何导电剂的加入(如乙炔黑),不仅可以降低制备成本,而且有利于其稳定性和性能的提升。将ZIF-基多孔碳作为燃料电池阴极ORR的电催化剂。Carbon-L-950作为一种无金属电催化剂,表现出高的电催化选择性(起始电位和半波电位分别为0.86V和0.70V vs.RHE)和近4电子选择性(0.3V时电子转移数为3.68),接近于商业的20%Pt/C催化剂。更重要的是,当加入甲醇后商业20%Pt/C催化剂“中毒”,而Carbon-L-950则没有受到影响。经过25000s的稳定性测试,发现Carbon-L-950的持久稳定性优于商业20%Pt/C催化剂。因此Carbon-L-950有优秀的抗甲醇干扰能力且稳定性优于商业20%Pt/C催化剂。ZIF-基多孔碳材料的制备方法简单实用,为开发新型多孔碳材料并将其应用于能源储存装置(例如燃料电池、超级电容器和锂电池等)开辟了新的方向。