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随着全球对能源需求的迅速增加以及环境恶化加剧等问题。发展清洁能源成为国家目前的重大需求,其中燃料电池作为一种非常典型的清洁能源引起了研究人员的广泛关注。燃料电池可以将燃料的化学能直接转化为电能,功率密度高,清洁环保,在便携式电子产品和交通工具等领域具有巨大的应用潜力,有望在未来超过传统能源转换装置的使用。但是燃料电池仍然面临着一些如成本高、寿命短、环境适应性弱等方面的挑战,其中最主要的问题就是成本高,而高昂的成本主要来自于阴极氧还原(ORR)的Pt-基催化剂。虽然Pt-基催化剂催化活性很高,但是存在着稳定性差,价格昂贵等问题,严重阻碍了燃料电池的大规模应用。因此发展高活性、长寿命的低成本催化剂具有重要意义。其中过渡金属和氮共掺杂碳(M-N_x/C)催化剂由于价格低廉,其金属位点外层电子容易得失,具有较强的氧化还原性能引起人们的广泛的关注。而且氮原子可以通过稳定金属原子,并降低金属原子的外层电子密度,从而增强金属原子与氧过渡态的结合能,来降低ORR的过电势,被广泛地应用于电催化还原反应。然而,现有M-N_x/C催化剂依然面临着金属活性位点数量不高的问题。造成上述问题的主要原因在于合成的M-N_x/C前驱体在高温热处理过程中发生有机骨架的碳化分解,造成金属原子聚集,从而失去大量金属活性位点。本论文通过引入新的稳定碳骨架、以及金属嵌段共聚物为前驱体合成MN_x/C的方法,有效地抑制了高温热解过程中金属原子聚集,获得了丰富的M-N_x/C金属活性位点数量。具体研究过程如下:(1)针对现有过渡金属和氮共掺杂碳(M-N_x/C)催化剂活性位点数量少,金属热解过程易团聚等问题,我们利用金属配位嵌段共聚物的方法制备高密度金属活性位点的Fe-N_x/C材料。利用聚合物中丰富的NH2-基团配位铁离子,构筑前驱体中高密度Fe-N4活性中心。配位键与金属离子间的强结合力不仅能够固定和分散金属位点,而且可以促进金属离子与骨架载体(如氮原子)之间电子云的重新分布,优化金属原子与氧过渡态的结合能,从而在获得高氧还原活性的同时降低ORR过电势。进一步,通过嵌段结构实现聚合物的阶梯式碳化,有效提高碳化过程中骨架的热稳定性,从而减少因碳骨架坍塌造成的配位结构破坏,提高Fe的保留量以达到构建高浓度Fe-N金属活性位点的目的。依据上述思路,我们成功制备了Fe-N_x/C-A催化剂,表现出了优秀的氧还原催化性能和长期催化稳定性,其起始电位和半波电位分别达0.86 V和0.71 V,并在2000圈CV循环后依旧保持较高活性。(2)在第一部分的研究中,我们构建的金属配位嵌段共聚物催化剂虽然得到了高Fe保留量,但Fe位点分散度不高导致暴露的Fe-N活性位点数量较少,催化性能与商业Pt/C仍有一定差距。针对上述问题,我们对聚合物前驱体进行结构改性,利用前驱体嵌段比例的变化提高其热解过程中的稳定性,并优化共聚物的阶梯式碳化流程实现配位与嵌段结构的稳定,通过增强Fe-N位点的锚钉促进其在嵌段结构内的限域生长,从而获得高分散的Fe位点。研究发现,在对嵌段单元(MPD)进行比例调控后,嵌段OPD:MPD为2:6时Fe-N_x/C-A的氧还原催化活性最高,在酸性和碱性体系中均具有可媲美商业Pt/C的催化活性以及远高于Pt/C的长期催化稳定性。在pH=1的HCl O4电解液中起始电位和半波电位分别达0.90 V和0.81 V,在p H=13的KOH电解液中起始电位和半波电位分别达1.0 V和0.90 V。该论文所采用的金属嵌段共聚物合成高分散Fe-N_x/C的策略,同样适用于其他高分散单金属位点的过渡金属氮碳材料的合成。