燃料电池和金属-空气电池作为目前最有前途的清洁能源设备,可替代化石燃料以缓解能源危机和环境污染问题。作为阴极的关键反应,氧还原反应(ORR)需要贵金属催化剂(商业化Pt/C)来增强其缓慢的动力学过程。但是贵金属催化剂循环稳定性差,价格昂贵,地球储量有限,严重制约了基于Pt/C的能源设备的大规模商业化开发和应用。因此,设计高效稳定的廉价碳基催化剂以取代贵金属催化剂至关重要。本论文设计和研究了基于碳材料的过渡金属纳米复合材料ORR催化剂,包括过渡金属碳化物、氮化物、硫化物、磷化物和碳的复合材料,以及过渡金属单原子掺杂的碳材料。通过调控催化剂的导电性、比表面积、分级孔结构、缺陷和掺杂效应,来实现优异的ORR性能并应用于锌-空气电池。研究内容主要包括以下五个部分:1.通过巧妙的模板法制备了 Co9S8纳米粒子负载到N,S共掺杂的缺陷富集碳纳米管上(Co9S8/N,S-CNTs)。CdS纳米线牺牲模板可以在高温碳化过程中直接挥发除去。较大的Brunauer-Emmet-Teller(BET)比表面积(661.2 m2 g-1)和孔体积(1.49 cm3 g-1)可以极大地促进传质和暴露活性位点,Cd的挥发和S的掺杂为碳基底提供了丰富的缺陷位点,Co9S8/N,S-CNTs表现出优异的ORR和氧析出反应(OER)双功能催化活性。2.通过ZnO模板合成了超小Fe7C3纳米粒子与N掺杂碳层紧密作用的复合材料(u-Fe7C3@NC)。该材料具有较大的BET 比表面积(321 m2 g-1)和分级孔结构。超小的Fe7C3纳米晶体与N掺杂碳层的紧密作用可以促进电子传递、氧气吸附和抗刻蚀能力。得益于以上优势,u-Fe7C3@NC表现出优异的ORR活性和稳定性,同时也表现出良好的锌-空气电池性能。3.通过一种形貌可控的策略设计了多孔碳负载Co4N的纳米复合材料(Co4N@NC-m)。三聚氰胺上丰富的N位点可以为Co提供更多的附着位点从而调控Co4N均匀分布且尺寸均一。较高的氮含量、导电性、石墨化程度和较大的电化学活性面积极大地促进了电催化活性。Co4N@NC-m在碱性条件中具有优异的ORR和OER活性。基于Co4N@NC-m的锌-空气电池表现出可观的实际应用潜力。4.通过简单的研磨-煅烧策略制备了 N,P共掺杂的碳负载Fe2P纳米粒子的复合材料(Fe2P/NPC)。ZnO纳米球作为造孔剂可以被原位除去,为碳基底创造了丰富的孔道和较大的BET 比表面积(1288 m2 g-1)来促进传质,同时促进活性中心和电解质之间的接触。Fe2P/NPC表现出优异的ORR活性和优于Pt/C锌-空气电池的开路电位(1.469 V)和功率密度(111.6 mW cm-2)。5.通过简单的一步法制备了 Fe,Co双金属单原子掺杂的微孔碳复合材料(FeCo-IA/NC)用作ORR催化剂。通过电化学测试和密度泛函理论(DFT)计算共同证明了原子级分散的FeN4和CoN4位点之间的协同作用。同时,得益于较大的BET 比表面积(748 m2 g-1)、丰富的微孔结构和高含量(85%)的吡啶N和石墨N,FeCo-IA/NC表现出优异的ORR性能和锌-空气电池性能。