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质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其较高的能量转换效率和CO2及污染物零排放等优点,被认为是最有前景的能量转换技术之一。目前,铂基催化剂是用于PEMFC阴极氧还原反应的最好的催化剂。然而铂高昂的价格和稀缺的资源限制了PEMFC的大规模应用。碳基非贵金属催化剂是一类很有希望替代铂基催化剂的氧还原催化材料。最近几十年来,碳基非贵金属催化剂的研究取得了长足的进步,但仍与铂基催化剂有一定差距。探究非贵金属催化剂的活性位点本质,研发提高活性位点密度的技术,设计合理的纳微观结构是目前碳基非贵金属催化剂研究的主要方向。基于此,本文开展以下两方面的研究工作:(1)针对一般的杂原子掺杂碳氧还原催化剂表面活性位点密度低且分布不均匀,催化剂微观形貌不合理等缺点,采用具有特殊形貌的磺酸根掺杂聚苯胺(PANI)为前驱体,以原位掺杂的方式制备出了一种氮硫双掺杂碳的微孔纳米棒状氧还原催化剂。研究发现,调节水杨酸/苯胺(SA/AN)的摩尔比可以调控PANI前驱体的形貌,纳米棒状形貌对于活性位点的充分暴露和传质的促进作用最为有效。FeCl3在热处理过程中起到造孔剂和微观形貌调控的作用,可利用的负载有高密度活性位点的微孔对氧还原反应(ORR)有决定性作用。氧还原测试表明,活性最好的催化剂在酸性介质中的半波电位为0.75V,且与商业Pt/C催化剂相比具有更好的稳定性。次外,本研究采用的旋转蒸发的方法也可以应用于其它微孔型杂原子掺杂碳材料的合成。(2)非贵金属氧还原催化剂三维形貌和孔分布的构筑对于质量传输和电子传导有直接影响,本研究采用熔融盐辅助碳化的方法,合成了具有微孔-大孔结构的纳米纤维状三维网络结构碳基非贵金属氧还原催化剂。研究表明,熔融盐辅助碳化的方法以一种湿化学的方式使得聚苯胺前驱体在液相环境中进行高温热处理,完成一系列物理和化学转变,从而有效地调控催化剂的形貌、孔结构和表面元素及其化学状态等,进而影响催化剂的电催化性能。所制得的电化学性能最好的催化剂具有最大的比表面积和微孔体积,在单电池测试中表现出了440mW cm-2的峰值功率密度,且在寿命测试中表现出了优良的稳定性。同时,这种熔融盐辅助碳化的方法为制备结构设计合理,活性位点密度较高的碳基非贵金属催化剂提供了一条可行的途径。