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全球能源需求的急剧扩大和碳排放量的持续增长,促使各国大力发展绿色可持续能源技术,以推动清洁能源使用、促进节能减排及实现碳中和。在众多新能源途径中,氢氧燃料电池、金属-空气电池以及将二氧化碳资源化是非常有效的能源转换和存储技术。但是,目前这些技术的广泛推广受到关键化学反应(如氧气还原反应、氧气析出反应以及二氧化碳还原反应等)效率低下的限制,而电催化技术是驱动这类能源转换存储装置规模化发展的关键手段之一。在电催化中,这些反应均具有动力学缓慢的特点,严重降低了能源转换效率,而贵金属催化剂对其有着很好的催化活性。但是,贵金属储量稀少,其昂贵的使用成本始终是大规模使用的阻碍。近年来,碳材料因其来源丰富、导电性强、结构易调控和化学稳定性好等特点,在电催化技术应用中受到广泛研究。在碳材料电催化剂中,碳前驱体的组分结构以及物理化学性质对催化性能有着关键影响。其中,含氮聚合物是一类优异的碳前驱体,其可引入丰富的杂原子氮,改变碳材料的电子结构,形成潜在的催化活性位点。氮原子的存在也有利于金属的掺杂,形成金属-氮的配位结构或锚定金属粒子,增加内在催化活性。而且,可以对含氮聚合物进行组分和结构的调控,构建多维结构的碳材料,这为设计高效碳基电催化剂提供了可能。基于此,本论旨在从分子水平上有目的性地设计调控含氮聚合物的组分和结构,以其为前驱体构筑具有高活性位点的碳基催化剂,并优化催化性能,提高能源转换和存储效率。为此,我们的研究内容如下:1.合成了一种低分子量的液态聚丙烯腈作为碳前驱体,利用自由基聚合的方法原位引入氮和硫元素,实现组分的有效调控,同时使得聚丙烯腈具有液态性质,与金属盐前驱体相容性好,通过利用氯化锌盐模板造孔,构建了比表面积高达1730 m2 g-1的氮和硫共掺杂且具有Fe-N活性位的多级孔碳材料,该策略丰富了利用聚丙烯腈制备多孔碳前体的方法。获得的多孔碳应用于氧还原,展现出优于商业铂碳的活性和稳定性,同时将其用于锌-空气原电池,开路电压1.49 V且性能稳定,并展示出高达168 mW cm-2的功率密度和778 mAh gZn-1的比容量。2.设计了一种有效的合成策略,将聚乙烯亚胺进行酰胺化反应,通过调控组分,引入丰富的吡啶氮结构,含氮基团的存在有利于金属与氮的配位结构形成。该修饰化的聚乙烯亚胺,具有较好的稳定性,为高温炭化保留碳结构提供了基础。以此为前驱体,利用丰富的含氮基团进行配位,热解后构建了单原子级分散的钴-氮-碳结构,形成高活性位点,用作氧还原(ORR)和氧析出(OER)电催化剂,表现出优异的活性和稳定性,ORR的半波电位为0.88 V,OER中10mA cm-2电流密度处电位为1.62V,两者差值仅为0.74V。以其为空气电极制备可再充锌-空气电池,其显示出高的功率密度、低的充放电过电位和好的稳定性。该调控含氮聚合物组分结构的方法,为制备优异的碳前驱体展示了一种可行的策略。3.采用了一种简单的软模板法,制备具有中空结构的苯胺-吡咯共聚物,利用表面活性剂胶束诱导调控结构,苯胺和吡咯单体自组装共聚,形成中空结构。以此为碳前驱体,一步热解共聚物和硫粉获得氮和硫共掺杂多孔碳。中孔结构的高比表面优势和杂原子的协同效应使其很好地应用二氧化碳还原,并表现出高效的催化活性,CO法拉第效率高达93%且具有好的耐久性。该工作通过调控含氮聚合物的结构制备高效催化剂,进一步拓展了碳基材料应用于二氧化碳还原的范围。