随着社会经济水平的持续发展,能源问题逐渐引起了人们的重视。但石油煤炭等传统能源储量有限,且传统化石能源的大量使用造成了严重的环境问题,因此寻找可持续利用的绿色能源对促进社会经济发展具有不可替代的意义。近年来,具有优秀能量转化效能且低污染的燃料电池受到了社会各方面的持续关注。但是目前市面上所使用的商用燃料电池多是以Pt/C来作为阴极的氧还原催化剂,Pt/C的高成本限制了其大规模推广。因此寻找价格低廉、高效的新型阴极催化剂是促进燃料电池普及的关键要素。而与此同时,现阶段的氧还原催化剂的设计多以半电池测试为依据,忽略了传质的影响,这导致在实际使用过程中会存在水淹等问题。本文基于共价有机聚合物易掺杂,孔结构易调控的优势,通过简单的方法合成了高效稳定的以共价有机聚合物为前驱体的阴极氧还原催化剂。并结合旋转圆盘(RDE)与质子交换膜燃料电池(PEMFC)测试发现适宜的介孔及大孔占比通过改善传质更能有效促进PEMFC的性能,这解决了燃料电池催化剂使用过程中传质不畅的问题,为设计更加实用的燃料电池氧还原催化剂提供了思路。具体研究内容如下:1.通过简单的水热法以2,6-二氯嘌呤(2,6-Dichloropurine)及哌嗪(Piperazine)为原料合成了富氮前驱体共价有机聚合物COP-PD,然后经过高温碳化后得到了多级孔单原子催化剂(MSA)。通过电镜,X射线光电子能谱分析及同步辐射分析表明,MSA在COP-PD的基础上形成了明显的分级孔结构,同时形成了单原子分布的Fe-Nn活性位点。其中MSA/200Fe-3Zn在0.5 M H2SO4溶液中,起始电位达到了 0.944 V,半波电位达到了 0.813 V。同时它还表现出了良好的稳定性与抗甲醇中毒的特性。这项工作提供了一种高效酸性氧还原催化剂的设计方案。2.探究了催化剂孔结构对催化性能的影响。通过添加不同含量的Zn作为高温造孔材料,制备了不同孔径含量的催化剂,研究了孔结构与电化学活性面积间的联系,讨论了其在RDE与PEMFC测试中的差异。并发现,催化剂MSA/200Fe-bZn的电化学活性面积与其介孔大孔面积之和相近,其电化学表现证明了通过调节介孔大孔结构能有效解决燃料电池传质的问题从而提升其性能。3.基于共价有机聚合物丰富的孔结构,良好的稳定性等特点。本文通过水作为溶剂利用微波加热的方法实现了 2,6-二氨基吡啶的聚合,制备了催化剂P-2,6-DP50。它具有丰富的微孔结构,以及良好的N掺入度,在碱性条件下展现出了优良的氧还原(ORR)性能,起始点位1.01 V,半波电位0.888 V。同时它在稳定性与抗甲醇毒性测试中表现良好。这项工作为设计高效的碱性氧还原催化剂提供了思路。