氧气还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)的动力学是惰性的,极大地限制了燃料电池和金属-空气电池的发展。因此,需要催化剂加快ORR的反应进程。目前应用最为广泛的催化剂是铂碳(Pt/C)催化剂,但是贵金属铂的使用会使电池的成本大幅度增加,不利于推广使用。而碳基催化剂价廉且高效,还具有较好的稳定性、多孔性、导电性和化学可掺杂等优点,有望替代Pt/C催化剂在电池中广泛使用。本文从对前驱体分子与形貌的设计、碳化温度的程序控制以及对热解产物适当的后处理出发,分别以生物质材料、金属离子液体以及静电纺丝纤维膜为前驱体制备了多种掺杂杂原子的多孔碳基催化剂,研究了这些碳基催化剂的电化学催化ORR的性能及应用潜力。另外,本文还设计了基于锌-有机杂化电池的、可储能的电致变色器件——锌镜。具体研究内容包括:(1)将价廉易得的龙胆草和氯化铵组成的双组分混合物直接碳化,得到高性能的多孔碳材料催化剂。龙胆草提供碳源,而氯化铵既是氮的掺杂剂,又是致孔剂。此外,通过协同调整氯化铵/龙胆草的投料比和碳化温度,调节所制备的碳材料的化学和物理性能,从而实现以高效催化ORR为导向的氮掺杂碳材料的设计和合成。合成的多孔碳材料的比表面高达1440.8 m2 g-1,具有分级的多孔性和较高的活性物质含量等优势,而且它的起始电位和半波电位与Pt/C催化剂相当,是比较高效的ORR催化剂。(2)通过一种自掺杂和无添加剂的策略,以金属离子液体为前驱体,调控碳化温度,制备了金属与氮共掺杂的多孔碳基ORR电催化剂。金属离子液体中的有机骨架既是碳源又是氮源,而其中的金属离子则是致孔剂和金属掺杂剂。所合成的材料具有较高的氮含量、适宜的金属物质含量以及较高的孔隙率。这些性能的协同作用使之成为ORR的高效电催化剂。其中,MIBA-Fe-900的比表面积为1567 m2 g-1,表现出与Pt/C催化剂相近的催化活性,且比Pt/C催化剂具有更长的耐久性。(3)将聚丙烯腈与金属离子液体静电纺丝成纤维膜,然后在不同温度下碳化,成功制备了一类Fe/N共掺杂纳米碳纤维材料。金属离子液体既可以作为致孔剂,提供多尺度的孔隙;又可以作为掺杂剂,为碳纳米纤维带来活性中心。该催化剂具有高活性中心和独特的三维多孔结构,而且具有显著的稳定性和高效的ORR电催化活性。基于此材料组装的锌空电池具有与用Pt/C催化剂组装的锌空电池相似的放电电压平台(1.20 V)。值得注意的是,基于此纳米碳纤维材料的全固态锌空电池表现出了良好的柔性,表明其具有作为可穿戴设备的应用前景。(4)将电致变色与锌-有机杂化电池相结合,实现能源器件的多功能化。通过在透明电极上电沉积和溶解锌实现电池的充放电和电致变色。在该装置中,锌和紫精化合物分别构成电池负极和正极。电池充电时,锌被电沉积到透明电极上形成锌镜,而电能则以化学能的形式储存。锌镜溶解时,储存的能量就会以电能的形式释放出来。与传统的可逆电化学金属镜相比,能量得到了充分且可持续的利用。此器件具有65.0 mAh g-1的比容量,并且能够实现反射率高达84.9%的锌镜和超长的锌镜记忆效应。