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燃料电池是一项将化学能直接转化为电能的新能源技术,具有效率高、无污染等优点。直接硼氢化钠燃料电池（DBFC）作为燃料电池的一种,因其具有高理论能量密度、高理论电动势和高理论能量转换效率并且可以使用非贵金属催化剂,被认为是一种极具发展前景的燃料电池。过渡金属（Me）/N/C催化剂因为在碱性环境中对氧还原反应具有良好的催化活性而备受关注。已有研究表明,过渡金属,含氮源和碳载体是影响Me/N/C催化性能的关键因素,通过优化这三个因素切实可以提高催化剂的催化活性。为了进一步提高Co/N/C催化剂的催化活性,本文旨在通过优化过渡金属的价态和表面形貌来实现高效Co/N/C催化剂的研制。本文以Co（NO3）2·6H2O、NH4F、尿素、无水乙醇、三乙胺和碳粉（BP2000）为原料,通过化学法和热处理法相结合来制备不同价态和不同形貌的Co/N/C催化剂。采用X射线衍射仪、X射线光电子谱、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征制备样品的组成结构和表面形貌。采用循环伏安法、旋转圆盘电极、旋转环盘电极等方法对催化剂的电化学性能和电池性能进行了研究与对比分析,以探讨催化剂的表面形貌和价态对催化剂的催化性能的影响机制。研究表明,通过水热法制备出来的前驱体,在氩气气氛下进行热处理可得到CoO纳米棒/N/C催化剂,CoO纳米棒的平均长度约为1-2 μm,平均直径约为15 nm,且CoO纳米棒主要沿<311>方向生长,并优先暴露{111}晶面。10 wt.%CoO纳米棒/N/C催化剂表现出了最佳的ORR动力学性能,其起始还原电位为0.821 V,反应电子数为4.01,表明其对ORR催化反应主要是4电子途径。在5000次CV循环之后,CoO纳米棒/N/C催化剂的半波电位偏移为26 mV,低于同等条件下的Pt/C催化剂（42 mV）。当CoO纳米棒/N/C催化剂作为阴极催化剂时的DBFC单电池在使用N212膜和60℃时实现了最大功率密度410 mW cm-2,其良好的电化学性能可能得益于良好的Co-C协同催化作用和催化剂中优先暴露{111}晶面。前驱体在空气气氛下进行热处理可以得到Co3O4纳米棒/N/C催化剂,Co3O4纳米棒的平均长度约为1-2 μm,平均直径约为80 nm。Co3O4纳米棒/N/C催化剂的起始还原电位为0.843 V,比CoO纳米棒/N/C（0.821 V）高,反应电子数为3.93,其对ORR催化反应也主要是4电子途径。在5000次CV循环之后的半波电位偏移为10 mV,低于同等条件下的CoO纳米棒/N/C（26 mV）。且Co3O4纳米棒/N/C催化剂作为阴极催化剂时的DBFC单电池在使用N117膜和60℃时的最大功率密度为243.9mW cm-2,高于同等条件下CoO纳米棒/N/C催化剂(222.1 mW cm-2)。这表明,通过价态优化,Co3O4纳米棒/N/C因存在+2和+3价Co的混合价态,而表现出了比CoO纳米棒/N/C更好的催化活性。通过溶剂热法制备出来的前驱体,在空气气氛下不同温度热处理可以得到Co3O4纳米立方块/N/C催化剂和Co3O4纳米颗粒/N/C催化剂,其中Co3O4纳米立方块的尺寸为10 nm左右,Co3O4纳米颗粒的尺寸为60 nm左右。Co3O4纳米立方块/N/C催化剂（0.852V）和Co3O4纳米颗粒/N/C催化剂（0.855 V）的起始还原电位都比Co3O4纳米棒/N/C催化剂高（0.843 V）。其反应电子数分别为3.89和3.83,仍然以4电子反应途径为主。但是,在5000次CV循环之后二者的半波电位偏移分别为36和37 mV,明显高于同等条件下的Co3O4纳米棒/N/C（10 mV）。且Co3O4纳米立方块/N/C催化剂和Co3O4纳米颗粒/N/C催化剂作为阴极催化剂时的DBFC单电池在使用N117膜和60℃时的最大功率密度分别为176.3和161.2 mW cm-2,低于同等条件下的Co3O4纳米棒/N/C催化剂(243.9 mW cm-2)。这说明,催化剂的表面形貌除了影响催化剂的催化活性之外,对催化剂的催化稳定性也有显著的影响,这可能得益于不同形貌Co3O4的表面原子分布不同和纳米棒一维结构的高应力和结构稳定性。通过以上研究,本文探讨了不同价态和形貌的Co/N/C催化剂在碱性环境中对ORR的催化性能和反应机理,为进一步研发和应用高效Co/N/C催化剂提供了实验依据。