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杂原子掺杂碳材料在催化氧化、催化加氢、电催化以及储能等领域备受关注,其中过渡金属、氮共掺杂碳纳米催化剂(M-N-C)因其具有原材料丰富、制备方式简便、催化性能优异以及化学性质稳定等特点,在液相催化和电化学领域得到了广泛的应用。因此,探索出一条绿色、可持续的高催化性能的M-N-C催化剂制备方法十分重要。生物质作为可再生资源在自然界中分布广泛,其中大多数生物质中富含碳(C)、氮(N)元素,是制备N掺杂碳纳米材料的天然前驱体。离子液体作为溶解剂和软模板,能够有效溶解生物质并协调碳材料孔道结构。金属卟啉作为大环金属有机化合物,过渡金属原子M与四个N原子配位的结构能够提供大量的MN_x活性中心,同时,这种特殊结构能够在高温条件下限制金属粒子长大,有效促进活性中心均匀分散。本文将从以上几个方面入手,系统的考察了以生物质和金属卟啉为前驱体,通过双模版法制备出的M-N-C催化剂的性能,并进行一系列表征进行分析和讨论。主要内容为:1),以1-丁基-3-甲基咪唑氯盐为软模板和溶解剂溶解干酪素,加入氧化镁作为硬模板,同时用钴卟啉作为金属掺杂的前驱体,混合均匀后置于500 ~℃下高温热解,随后在2 mol/L盐酸中刻蚀不同时间制备出一系列M-Co-N-C-X催化剂。实验结果表明,刻蚀时间为9小时,所制备的M-Co-N-C-9催化剂对乙苯催化氧化成苯乙酮具有良好的催化活性,其中转化率达到96.5%,选择性为97.3%。此外,一系列表征手段表明,刻蚀法能有效除去氧化镁和大颗粒钴粒子,促进了钴元素的均匀分散。同时刻蚀作用对碳层造成破坏能形成更丰富的孔道结构并暴露出更多的活性中心。对XPS进一步研究表明,随着刻蚀时间延长,催化剂中Co、N含量成比例增长,这与催化剂性能变化一致,表明Co、N元素对M-Co-N-C-9催化性能起到重要促进作用,催化剂活性中心可能为CoN_x物种。2),在不同温度(600 ~℃、700 ~℃、800 ~℃、900 ~℃和1000 ~℃)下一锅法高温热解1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、氢氧化镁、干酪素和钴卟啉,统一刻蚀9小时后制备出一系列M-Co-N-C-9-T碳纳米催化剂。试验结果表明,催化剂性能和热解温度具有紧密联系,其中M-Co-N-C-9-600表现出最优异的催化性能,其乙苯转化率为98.1%,苯乙酮的选择性为99%。对催化剂进行BET和Raman光谱分析,温度升高有助于增大催化剂比表面积。TEM和HRTEM分析结果证实M-Co-N-C-9-600表面存在CoN_x纳米粒子。进一步进行XPS分析,当热解温度为600 ~℃时,催化剂表面吡咯N、Co原子含量最高,此时催化剂性能最佳,证明催化剂活性中心为CoN_x物种。此外,从XPS结果中还可以发现不仅吡咯N和Co结合形成CoN_x促进乙苯转化成苯乙酮,高温下部分N元素转化成石墨型N对催化剂性能同样起着重要的促进作用。3),在600 ~℃条件下热解1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、氢氧化镁、干酪素和不同含量的钴卟啉,将得到的黑色粉末统一刻蚀9小时后制备出一系列M-Co_m-N-C-9-600碳纳米催化剂。通过XPS和TEM分析,可以得到CoN_x活性中心的量随着钴卟啉掺杂量增加而增加,且均匀分布在碳层上。对该催化剂进行一系列表征和循环实验,结果表明随着钴卟啉掺杂量的增加,M-Co_m-N-C-9-600循环稳定性逐渐增强,直到m=0.1 g时,催化剂达到最佳循环性能,此时催化剂负载量达到饱和。