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化石燃料的燃烧造成了惊人的全球变暖现象,我国对他国石油、天然气的过度依赖,导致社会存在潜在的脆弱性和不稳定性。这些问题一度引起国家的重视,科学家们也在努力寻找新能源来代替化石燃料。贵金属铂(Pt)、贵金属氧化物(RuO2和IrO2)是水分解析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的高效催化剂,但因贵金属的成本较高而且比较稀有,限制了其在HER和OER反应中的大规模使用。所以制备高效非贵金属水分解催化剂具有重要的研究意义。另一方面,锂离子可充放电电池被认为是最有潜力的储能设备,因其高储能密度而被广泛研究。石墨作为锂离子电池(LIBs)负极材料,已经实现商业化,但是其较低的理论比容量限制了它的进一步广泛应用。开发新型高比容量的负极碳材料成为当前材料化学领域的研究热点之一。碳材料具有优异的电子传导性、大比表面积,良好的化学稳定性和成本低等特点,被广泛应用于锂离子电池、金属空气电池、氢氧燃料电池和电化学超级电容器等清洁能源领域,这类材料的合成和性能开发具有重要的科学应用价值。本论文拟开发新的合成方法,制备具有特定结构和性能的碳材料,研究其在电催化水分解及锂离子电池两方面的应用性能。为此,我们做了以下两项研究:(一)用层状的二维(2D)MOFs(Metal-organic frameworks)材料作为牺牲模板,通过两个步骤合成高效电催化水分解的碳基复合材料;(二)用较温和的方法合成介孔碳材料,将其作为锂离子电池极材料。主要内容包括以下两个方面:1.2D MOFs纳米片是2D材料的新成员,与三维大块MOFs相比,2D MOFs纳米片因其独特的二维形态,具有更大的比表面积和更多的活性位点。我们用含Co元素的二维卟啉纳米片框架(PPF-3)作为牺牲模板,通过碳化和磷化两步合成了掺杂磷化钴纳米颗粒的氮/碳材料(标记为Co-P@NC)。Co-P@NC材料表现出较好的HER和OER电催化性能,催化剂Co-P@NC-800在酸性溶液中的HER性能:在10 mA/cm2的电流密度下的过电势为98 mV,Tafel斜率为74 mV/dec;在碱性溶液中OER性能:在10mA/cm2的电流密度下的过电势为370mV,Tafel斜率为79 mV/dec。据我们所知,Co-P@NC是第一个对HER和OER均有活性的2D金属卟啉骨架衍生的电化学催化剂。2.低温法合成介孔碳材料。我们利用CaC2和CC14作为碳源,在PCl3酸性溶剂条件下合成介孔碳材料。材料经过进一步热处理,其比表面积达到1322 m2/g、孔径缩小、石墨化程度得到提升。此方法碳的产率较高,达到54%。得到的碳材料作为锂离子电池的负极,在容量、循环稳定性和倍率三个方面均具有优异的性能。在0.1 A/g时的电流密度下,该材料比容量为862 mA h/g,相较于商业化的石墨负极材料(372mAh/g),容量提升接近三倍。经过230次循环,此材料的电池比容量从最初的862 mA h/g衰减到800 mA h/g,仅衰减了 7%。