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质子交换膜燃料电池(PEMFC)对稀缺贵金属Pt的依赖是制约其实用化发展的关键原因,碱性聚电解质燃料电池(APEFC)概念的提出可从根本上解决这一难题。在电化学体系由酸性向碱性环境转换过程中,催化剂的选择类型得到极大拓展,尤其在阴极氧还原反应(ORR)中,许多非贵金属催化剂可以得到应用。这其中,在碱性环境下具有高催化活性及稳定性的铁、氮共掺杂碳基材料(Fe/N/C)是最有可能替代Pt被应用到实际APEFC器件中的阴极催化剂。然而,在溶液单电极测试中具有优异ORR催化能力的Fe/N/C材料在APEFC测试中并未体现出与之活性相匹配的全电池性能。通过对若干自制Fe/N/C催化剂的本征ORR活性、物理化学特征与单电池性能进行比较,并对催化剂与碱性聚合物间的相互作用进行分析,本论文探究了 Fe/N/C在APEFC中的适用性问题,并在此基础上对催化剂的合理化设计提出了建议。具体内容与结果如下:1.通过DMF/乙醇溶剂热替代水热反应完成对腺苷分子的碳化过程,Fe3+的强水解及腺苷的断键过程被有效抑制,经后处理优化得到的C-FeN-sovol较水热法所得C-FeN·具有更高的Fe、N掺杂度。在两者形貌未有明显差异的前提下,C-FeN-sovol在1 M KOH的RDE测试中所得ORR半波电位(E1/2 = 0.895 V vs.RHE)较C-FeNN正移20mV,将两者作为阴极催化剂所得APEFC最高功率密度分别为130mW/cm2和100mW/cm2,说明催化位点数量的提升是催化剂ORR本征活性与APEFC电池性能改善的必要条件。。2.利用溶剂热碳化低聚物与碳纳米管复合的方法,可获得高石墨化碳纳米管外壁覆盖有超薄层的非晶态缺陷结构的C-FeN-sovol/CNNT。较低的催化位点密度虽令 C-FeN-sovol/CNT(E1/2=0.873 V vs.RHE)在 ORR 活性上离 C-FeN-sovol有一定差距,但碳纳米管所提供的高导电能力令其在APEFC中体现出较大优势,高频电阻的显著下降令电池最高功率密度提升至170 mW/cm2,充分证明催化剂电子电导率对电池性能的重要影响。3.通过向溶剂热中引入ZnC12催化腺嘌呤核苷聚合碳化过程,获得兼具高活性与高电导率的管状Fe/Fe3C@NCNT催化剂。碳纳米管上以“Fe单原子”形式均匀分布的FenN4/C配位结构与高密度N/C位点令催化剂具有极高的电催化ORR活性,其ORR半波电位(E1/2 = 0.93 V vs.RHE)与同等C载量下20 wt%Pt/C(80μgpt/cm2)相同,并表现出比Pt/C更低的H202生成效率和更优的长期稳定性;碳纳米管内部石墨碳包覆Fe/Fe3C纳米颗粒结构令催化剂具有相当高的导电能力,在4～7 at%的N掺杂量下仍能保持2～10 S/cm.的电导率水平。Fe/Fe3C@NCNT融合了 C-FeN-sovol 和 C-FeN-sovol/CNT的优势,并将表面催化位点含量/形式和电子导电率提升到了更高层次,因而表现出APEFC单电池性能上的突跃式进步。对催化剂载量、电子导电率等因素调控后,阴极催化剂载量2 Dmg/cm2的单电池最高功率密度可达485 mW/cm2,远高于目前非贵金属阴极催化剂在APEFC应用方面的文献报道水平。4.采用Fe-phen配合物和咪唑分子为前体,通过载体/模板法和离子液体热解法获得了两类具有高密度单分散FeNx/C配位结构、高含N量与丰富孔道结构的新型Fe/N/C催化剂MgCB-CFephen和CFe-imizadole,两者在1 MKOH中表现出与Pt/C相当甚至比Pt/C更优异的电催化ORR活性。然而在APEFC单电池测试中发现,较高的杂原子掺杂程度和高比例的微孔、小孔径介孔结构虽然会令活性位点的密度有效提升,却给催化剂带来了电子电导率低下、疏水化程度过高及有效活性位点利用率不足等问题,令两者所得APEFC的放电性能在欧姆极化和传质极化区内均出现不同程度明显衰减。5.电化学ORR测试中全浸没式溶液环境、超低催化剂载量和高强度电极-溶液界面电场令催化剂的本征活性得以体现,而转换至电池体系,样品电导率的大小、对水的亲和能力,催化位点与ionomer有效接触程度等影响因素逐步凸显。综合本论文所得七类Fe/N/C催化剂分析认为,以上各因素呈互相制约关系,难以通过控制合成条件对某一特性进行单变量提升,这要求研究者在催化剂的设计方面有更加明确的目的性,不能一味追求电化学测试中的高ORR活性,而需要通过调和各项制约因素达到平衡以获取实用性更强的Fe/N/C材料。6.使用APEFC用ionomer自交联自聚集型季铵化聚砜C12 xaQAPS作粘结剂取代Nafion进行RDE测试发现,Fe/N/C易受C12xaQAPS影响而出现ORR活性上的迅速衰退。通过对比QAPPdP,PS,SPS,PTFE,QAMPOB,SPEEK等聚合物粘结剂所得ORR极化曲线可知,聚合物的亲疏水程度会严重影响RDE测试中Fe/N/C的ORR活性。但APEFC中ionomer优良的亲水性对气体扩散电极三相界面间的ORR反而是有利性因素,RDE测试与单电池测试现象上的差异可能表征了不同聚合物与催化剂间的相互作用形式,对于此现象具体作用机理及相关科学模型的构建有待继续研究。