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由生物质衍生的生物碳因原料来源广、储量大、可再生而成为清洁新能源技术中不可或缺的碳催化材料,它对应对生态环境恶化和能源危机有着重要的意义。长期以来人们对生物碳的制备、性能及应用进行了广泛的研究,多种制备方法如热解法、水热法、热解活化法、模板法、离子热碳化法、熔盐热解法和微波处理法等已被报道。所制备的非金属生物碳基催化剂的分子氧氧化还原反应（Oxygen Reduction Reaction;ORR）催化性能远低于商业Pt/C,金属生物碳基催化剂的电催化性能仅是接近或略优于商业Pt/C,无法满足商业化应用的需求。本文将致力于开发制备方法简便可行、环境友好、高效的生物碳基电催化剂。依据生物质的组成与结构,采用熔盐热解法、活化法和热处理相结合的方式,发挥熔盐的模板、刻蚀和分散作用调节生物碳材料中活性位的密度和活性以及催化剂的电子传输和质量输运的能力,以期得到通用可行的生物碳基催化剂的制备方法和高效的电催化剂,为促进生物碳基材料在新能源技术中的商业化应用提供理论和实践基础。具体的研究内容如下:1.将未加工的生物质柚子皮中的白色絮状层在Na Cl-KCl（物质的量比为1:1,熔点为658℃）熔盐中于700℃下热解,后再经1000℃的热处理制备了柚子皮衍生的生物碳材料Peel-700-1000。在该方法中,熔融盐的溶剂作用为柚子皮的均匀受热创造了条件,其分散作用可避免热解产物的团聚。热处理过程能调节热解产物的石墨化程度和缺陷密度。Peel-700-1000在0.1 M KOH中催化ORR的半波电位低于Pt/C的10 m V,为0.83 V vs.RHE,但高于文献报道中以柚子皮为前驱物的非金属生物碳基ORR催化剂。在1000℃热处理时加入三聚氰胺以引入N源得到的催化剂PM-700-1000在0.1 M KOH中催化ORR的半波电位为0.88V vs.RHE,高于Pt/C的40 m V,也高于文献报道中所有以生物质为前驱物制得的ORR催化剂。用PM-700-1000组装的锌-空气电池（ZAB）的峰值功率密度为211 m W cm-2,比容量为807 m Ah g Zn-1,优于商业Pt/C(126 m W cm-2,684 m Ah g Zn-1)和文献报道中的非金属碳基催化材料组装的ZABs。展示出熔盐热解-热处理方法的优越性和生物碳材料在清洁能源技术中取代贵金属Pt的可能性。2.花生壳属于未加工的生物质,含氮量约为2.1 wt%,以其为原料,通过在熔融KCl中热解和再热处理的方式制备了N掺杂的生物碳基材料。花生壳中的交错纹理和通道结构有利于所制备的碳基纳米材料中孔结构的形成。在熔融KCl中800℃热解,后经1000℃热处理制备的花生壳衍生生物碳材料PS-800-1000具有大比表面积、高缺陷密度和高石墨化程度,在0.1 M KOH中催化ORR的半波电位为0.84 V vs.RHE,与市售Pt/C的催化性能相当,并高于所有文献报道中的花生壳衍生生物碳基催化剂。基于PS-800-1000的锌-空气电池比基于Pt/C的锌-空气电池具有更高的峰值功率密度(141 m W cm-2)、比容量(767 m Ah gzn-1)和充放电循环稳定性。因此,以花生壳为原料,采用熔融KCl热解-热处理方法制备的生物碳材料有望在能量转换/储存装置中得以广泛应用。3.从生物质提取的纤维素由碳、氢和氧组成,属于加工的生物质,在混合熔盐Li Cl-KCl（物质的量之比为59:41,熔点为352℃）中于750℃下热解后再经1000℃热处理,制备了仅含有C、O、H元素的纤维素衍生生物碳基催化剂C-750-1000。Li Cl-KCl的分散性和腐蚀性,使纤维素热解产物中具有丰富的孔结构和缺陷活性位。C-750-1000的ORR催化性能显著高于文献报道中纤维素衍生的无其他杂原子掺杂的催化剂,但比Pt/C催化ORR的半波电位低70 m V。在相同温度热处理过程中加入三聚氰胺引入N源得到的催化剂CN-750-1000因含氮活性位和比表面积的增大,催化ORR性能有了显著提高,其半波电位可增至高于Pt/C的30 m V,该性能也优于其他纤维素衍生的金属和非金属掺杂生物碳基催化剂。基于CN-750-1000的ZAB的峰值功率密度(202 m W cm-2),比容量(785m Ah g Zn-1),均高于Pt/C(126 m W cm-2,684 m Ah g Zn-1),也高于文献报道中基于非金属碳基催化剂的锌-空气电池的性能。以自然界中来源广、储量大的纤维素作为催化剂制备的原料,对于降低能源技术成本,推动清洁新能源技术可持续发展具有重要意义。4.壳聚糖来源于昆虫和海洋节肢动物的甲壳以及菌类和藻类细胞膜,属于加工过的生物质,由C、H、O、N组成,其中N含量约为7 wt%。通过将壳聚糖在熔融KCl中800℃热解再经800℃热处理的方法制备了可用于ORR电催化的泡沫状结构高效电催化剂CK-800-800（C指壳聚糖,K指熔融KCl,800为热解和热处理温度（℃））。在碱性介质中,CK-800-800的催化ORR的活性(Ehalf-wave=0.86 V vs.RHE)、稳定性和耐甲醇性均优于市售Pt/C催化剂和文献中报道的其他生物碳基非金属电催化剂。与基于Pt/C和大多数非金属催化剂的锌-空气电池相比,用CK-800-800组装的锌-空气电池具有更高的峰值功率密度(178m W cm-2)、比容量(780 m Ah gzn-1)和循环稳定性。显示出壳聚糖生物碳材料在能量储存/转换技术中替代贵金属Pt/C的潜力,实用前景广阔。5.甲壳素(C8H13O5N)n是自然界中第二大生物聚合物,其含氮量略低于壳聚糖,但热稳定性高于壳聚糖,这将有利于高含氮量甲壳素热解产物的制备。将甲壳素在熔盐Na Cl-KCl（物质的量比为1:1,熔点为658℃）中于750℃热解,再将热解产物在1000℃下热处理,得到了N含量为4.07 at%,BET比表面积为1279 m2g-1的甲壳素生物炭（Chitin-750-1000）。Chitin-750-1000在碱性介质中催化ORR的起始电位为1.06 V vs.RHE,半波电位为0.88 V vs.RHE,分别高于Pt/C的50 m V和40 m V,也高于文献报道中以生物质为前驱物的金属掺杂和非金属掺杂催化剂。Chitin-750-1000组装的锌-空气电池（ZAB）展现出高于以Pt/C组装的ZAB峰值功率密度(223 m W cm-2),比容量(811 m Ah g Zn-1)和能量密度(1026 Wh kg Zn-1),同时也高于文献报道中的基于非金属催化剂的ZAB。这些结果证明Chitin-750-1000是迄今为止的报道中ORR催化活性最高的非金属电催化剂。上述研究结果证明熔盐热解-热处理方法是利用生物质制备高效生物碳基电催化剂的一种简单、有效的方法。采用该种方法无论以未加工生物质柚子皮、花生壳,还是以加工过的生物质纤维素、壳聚糖、甲壳素为原料,均可制备出其催化性能优于利用其它方法制备的ORR非金属生物碳基催化剂。同时也充分的显示出生物碳基材料具有在新能源技术中替代贵金属Pt的可能性,对于实现社会的可持续发展具有重要意义。