氧气还原反应(ORR)是燃料电池中重要的电化学反应之一,但因其动力学过程缓慢,需要催化剂参与来加速其反应过程,因此高性能催化剂的开发已经成为燃料电池商业化应用的关键控制性因素。中空纳米炭材料通常具有高比表面积、丰富孔结构、以及活性位点可调控等特点,目前被公认为是制备低成本高活性的氧还原电催化剂的优选材料之一。本文首先以聚苯胺为炭源和氮源,采用可控炭化和氨气活化法,成功制备出掺氮碳纳米管催化剂。掺氮碳纳米管为长度约在1-3 μm,直径约在130-170 nm的上端开口形貌。针对聚苯胺前驱体的中空结构特点,在制备过程中引入过渡族金属铁,制备出铁氮物种掺杂的分级多孔碳纳米管催化剂,其具有较高的比表面积(1038.8 m2/g)以及丰富的微孔(0.37 cm3/g)和介孔(0.13 cm3/g)结构,并且显示出优异的ORR活性(碱性体系半波电位:0.91V vs RHE酸性体系半波电位:0.78 V vs RHE)。其次,为了进一步增加铁氮共掺杂炭材料的活性位点的密度,以自制的掺氮聚苯胺基碳纳米管为原料,二茂铁为改性剂,采用固相热迁移法成功制备出活性增强型催化剂。与液相反应体系相比,固相合成体系制备的催化剂能够更好的保持催化剂的纳米管形貌,且能有效避免金属粒子发生团聚,该催化剂在碱性体系下半波电位达到0.87V(vs RHE),具有高于商业Pt/C的耐久性和抗甲醇中毒性能。XPS结果表明催化剂中含有丰富的pyridinic-N,graphitic-N以及Fe-Nx活性位点,这是其催化性能增强的原因。提出的固相合成方法操作简单,无需酸洗等后处理过程,可实现批量制备。该方法对设计过渡金属-氮-碳催化剂具有一定的指导作用。最后,为探究铁氮物种和纳米碳中空结构对催化剂氧还原活性的影响,选用商业炭黑为原材料,采用水热-氨活化两步法成功制备了铁氮共掺杂中空炭微球。得到催化剂在碱性体系下半波电位达到0.9 V(vs RHE),具有优异的耐久性和抗甲醇中毒能力。以该催化剂组装形成的锌空电池具有超过Pt/C的最大功率密度(173.7 mW cm-2),同时具有较高的比容量(787.5 mAh g-1)和比能量密度(945 Wh kg-1)。XAS测试结果证实了催化剂具有一个Fe原子与四个N原子相连锚定在弯曲炭壳表面形成了Fe-N4-C8的结构。通过密度泛函理论计算,得到锚定在弯曲炭层上的Fe-N4活性位点的正向移动的d带中心和活性Fe位点的表面电荷的增加是催化剂氧还原性能显着提高的原因。