功能化碳基材料作为高效电极材料广泛应用于新能源器件中。以生物质为原料开发结构和性能可控的高效碳基材料是该领域的重要课题。本论文围绕燃料电池和染料敏化太阳能电池(DSSCs)的阴极反应,通过甄选合适生物质前驱体和合成策略,开展了基于生物质碳基纳米材料的合成、结构和性能研究。鉴于此,制备了三种不同类型功能化碳基材料,其中包括杂原子掺杂碳基纳米材料、碳载体担载过渡金属纳米颗粒以及原子级分散的碳基单原子材料。研究表明,生物质衍生的碳基纳米材料具有独特的结构、组成以及优异的电催化性能,当与过渡金属(尤其是金属单原子)结合后,材料的电催化性能获得进一步提升。具体内容如下:(一)以茶叶残渣作为碳源和杂原子源,通过一步热解法合成氮、氟共掺杂碳材料,对该样品的形貌、孔结构、元素组成及其在氧还原反应(ORR)中的电催化性能进行研究。结果表明,制备的催化材料(T-NFC)具有高比表面积和多尺度孔隙结构,该结构能够提供更多暴露的活性位点,且有利于液体电解质的扩散,从而提高其电催化活性。此外,氮和氟元素成功地嵌入到碳骨架结构中,山此引起的电荷重新分布进一步促进了电催化反应的进行。电化学测试表明,T-NFC催化材料经历了四电子ORR过程,具有较高的电催化活性和稳定性。(二)在碳材料表面负载过渡金属是提升催化剂活性的重要手段。以海带为生物质模版,在添加少量钴盐的情况下,通过一步热解法合成了一种结构特殊的碳基负载型催化材料。该材料为氮、磷、硫共掺杂,其中氮元素主要以石墨化氮和吡啶氮形式存在。其次,在该材料中钻纳米粒子成功地负载到碳载体上,并且与薄石墨烯层形成了洋葱状包覆结构。电化学研究表明,该材料对ORR和碘还原(TIRR)均具有良好的催化活性。具体地,该材料在0.1 M KOH溶液中具有与商业Pt/接近的起始电位和半波电位,分别为0.90 V和0.74 V vs.RHE;极限电流密度为5.5 mA·cm-2,明显高于商用Pt/C。基于该对电极材料组装的DSSC器件获得了 7.48%的光电转化效率。更重要的是,多层石墨烯包覆钴纳米粒子结构可靠,使其在ORR和碘还原反应(TIRR)中具有优异的稳定性。(三)将负载金属纳米颗粒的尺寸减小到原子级能够进一步提升材料的催化活性。以活体海水小球藻作为前驱体,将其与痕量钴盐在NaCl/KCl共熔盐体系中混合,通过直接热解工艺,制备了原子分散的Co-N活性位点负载碳基复合材料。在球差校正透射电镜照片中清楚地观察到了钴单原子。X射线精细结构光谱进一步确认了钴的化学价态和配位环境。结果表明,样品中钴以单原子地形式存在,与嵌入碳载体中的氮原子形成CoN4结构。进一步,通过改变熔融盐种类、用量、比例,合成了一系列对比样,在这些样品中均观察到了钴纳米颗粒的存在。由此证明合理的选择盐体系在熔融盐辅助热解法制备单原子催化材料中的重要作用。此外,具有超大比表面积的多孔结构以及原子分散的Co-N活性位点,使该材料在ORR中具有良好的电催化活性和稳定性。电化学测试表明,该材料的半波电位和极限电流分别为0.83 V RHE和5.5 mA·cm-2。(四)以猪肝粉为前驱体,通过上述熔融盐辅助热解法制备了原子分散的Fe-N位点嵌入碳载体复合材料,并将其用于燃料电池阴极催化材料及DSSCs对电极材料。通过扩展边X射线吸收精细结构谱(EXAFS)的傅里叶变换,发现该样品主峰位于1.8 A处,对应Fe-N散射路径。对应的拟合结构,进一步确认了单个铁原子与四个氮原子配位,形成FeN4活性位点。研究表明,大的表面积、多尺度的孔隙系统、高的石墨化程度和高效的原子级Fe-N活性位点,使合成的单原子材料具有良好的ORR及TIRR催化活性。