当今世界经济迅猛发展,社会对于能源的需求更甚以往;同时,化石材料仍然在能源供给中占据绝对的比重,并导致了诸多问题。为摆脱能源危机和环境污染,以及谋求人类社会的可持续发展,必须大规模利用新型清洁能源。其中,氧气还原反应(ORR)是新能源利用装置燃料电池和金属-空气电池的核心反应,并且,ORR的低反应速率极大的制约了燃料电池和金属-空气电池的效率。目前商业化应用的ORR催化剂是铂基催化剂;然而,尽管铂基催化剂有很高的催化效率,其昂贵的成本,贵金属的稀缺性和催化的不稳定性限制了铂基催化剂的广泛应用。因此,开发廉价、高效并且稳定的非铂基催化剂是燃料电池进一步应用的关键。同时,材料的制备方法可以影响催化剂本身的物理和化学结构特性,决定活性点的种类,位置,数目等等,.因此对于催化剂活性有直观的,重要的影响。本文通过掺杂,组装,模板法等手段,重点利用了核壳结构和类似的复合结构,使催化剂得以充分的活化并均匀的引入掺杂的目标元素,制备了一系列性能优良的非贵金属催化剂和非金属催化剂,主要成果如下:1.提出一个使用具有核壳结构的纳米颗粒作为模板,制备氧还原反应和析氧反应的双功能催化剂的方法。在此策略中,本研究合成了具备核壳结构的ZnO@ZIF-67纳米颗粒,并将其与三聚氰胺和葡萄糖作为模板合成了 Co、N共掺杂的多孔碳催化剂。核壳结构保证了热解过程中催化剂的充分活化,在增加了催化剂多孔性的同时,有效防止了催化剂中金属Co的团聚。电化学性能测试表明,在碱性条件下,该催化剂不仅展示了与商业铂碳催化剂近似的ORR催化活性,同时拥有与氧化铱相似的OER催化活性。本文使用了密度泛函理论对该Co、N共掺杂多孔碳材料的ORR和OER的反应机理进行了进一步的探索。结论表明,可以通过使用氮掺杂的碳材料包裹吸电子基团,如Co的金属团簇等,达到制备高效双功能催化剂的目的。最终,本研究探索了催化剂在实际的锌空电池设备上的应用情况。实验结果表明,催化剂具有优良的充放电性能和较高的耐久性。因此,该法为具有实际应用潜力的双功能催化剂的制备提供了一种新方法。2.通过将苯胺单体在聚四氟乙烯颗粒上聚合,制备了类似核壳结构的聚苯胺包覆聚四氟乙烯的前驱体,这一复合结构使前驱体各组分充分接触、混合均匀;经过碳化处理,得到了氮、氟双元素共掺杂的多孔碳催化剂。电化学催化主要依赖于催化剂表面的活性点,因此,催化剂表面的元素分布是非常重要的。高分辨TEM图像证明,由于包覆结构,热解后的催化剂表面各元素分布均匀。催化剂电化学能力测试的结果表明,在碱性条件下,该N,F-Carbon材料的最佳碳化温度为1000℃,且此温度下得到的催化剂有与商业铂碳催化剂相同的起始电位(0.97 V vs.RHE)和相同的半波电位(0.84 V vs.RHE)。但N,F-Carbon拥有更好的稳定性和对甲醇副反应更高的抗性。N,F-Carbon的优异性能可归因为氟元素和氮元素在催化剂中分散良好,催化剂的较高的比表面积和氟原子与氮原子在临近氮原子上的极化效应。本工作在原位合成氮、氟共掺杂多孔碳材料作为ORR催化剂上提出了新的策略。3.研究表明,多元素掺杂的协同作用有利于提高催化剂的ORR活性。基于之前氮、氟掺杂工作的基础,再次利用简易的复合结构,以常见的廉价材料硫脲和聚四氟乙烯微粉作为前驱体,在不同温度下热解后制备了 S、N、F三种元素共掺杂的多孔碳催化剂。其中,在碱性条件下,SNFC-1000催化剂有与商业铂碳催化剂一致的起始电位0.97V vs.RHE,半波电位0.86V vs.RHE以及一个略小的极限电流,催化过程以4电子路径为主。同时,相对于商业铂碳催化剂而言,SNFC.材料具有更好的抗甲醇能力和稳定性。SNF-1000的高催化活性来自于S、N、F三种元素共同掺杂的协同作用;同时材料本身的多孔结构、石墨化程度等也增强了材料的ORR性能。该合成方法为合成高效的无金属催化剂提供了新的思路。