为了缓解人类社会和全球化快速发展带来的能源危机和环境保护难题,燃料电池研究得到越来越多的关注。铂基ORR催化剂是燃料电池的重要组成部分,但由于铂的稀缺性、高成本以及商用铂碳电催化剂的稳定性和甲醇耐受性较差等问题限制了燃料电池的商业化应用。因此,急需寻求一种廉价高效的ORR催化剂作为替代。将氮引入到碳材料的碳骨架之中,能够得到高性能的廉价碳基ORR催化剂。通过硝酸、硫酸以及过氧化氢等氧化剂处理后的碳材料能够提高含氧官能团的数量,进而提高热解处理后氮的掺杂量。但该处理过程不仅提高了对设备的耐腐蚀性要求、增加了制备流程和成本,而且需要消耗大量淡水,排放的废水对环境产生巨大威胁。因此,本论文旨在提供两种策略用于制备绿色环保、价廉高效的生物质热解氮掺杂碳基ORR催化剂。其一,将生物质废弃物锯末通过低温限氧热处理后得到生物质碳(BC)作为碳载体,然后引入Co和N制备得到Co@NCBC。作为对比,直接使用锯末(SD)作为碳载体制备得到Co@NCSD。一系列的电化学性能表征显示Co@NCBC在稳定性和甲醇耐受性方面比商用铂碳电催化剂表现更加出色,Co@NCBC经过10,000 s运行后依然保留了 98.1%的电流值,加入甲醇后未对催化剂活性产生显著影响,电流只下降了约3.5%。同时Co@NCBC具有更优异的ORR活性,其半波电位E1/2达到了 0.860V vs RHE。多种表征结果揭示了其ORR性能的提高归功于更高的氮掺杂量(6.00 at%)和活性氮含量(4.73 at%)、碳材料微观结构的改善(SBET=409.75 cm2/g)以及Co NPs的高分散度。其机制主要是低温限氧热处理提高了碳材料表面的含氧官能团数量,进而促进了碳材料在NH3碳化气氛中的氮掺杂和Co NPs分散。本方法是一种比较绿色环保的制备廉价ORR电催化剂的策略。其二,通过CO2-NH3碳化气氛联用处理生物质壳聚糖,得到氮掺杂多孔生物质碳N/Ca-b(a-b指两段碳化气氛的热解温度)。一系列的电化学性能测试表明N/C800-800和N/C700-900具有更加优异的ORR活性,其中N/C700-900(E1/2=0.88 V vs RHE)>N/C800-800(E1/2=0.86 V vs RHE)≈商用铂碳(E1/2=0.86 V vs RHE)。同时,这两种催化剂的稳定性和甲醇耐受性皆优于商用铂碳电催化剂,在运行10,000 s后显示N/C700-900依然保留了94.8%的电流值,N/C800-800保留了85.4%的电流值,甲醇的加入对这两种催化剂几乎没有影响。研究表明通过CO2碳化气氛处理后可以提高碳材料中的含氧量,从而提高了随后NH3碳化气氛处理后的掺氮量。同时,CO2-NH3碳化气氛顺序联用改善了所制碳材料的微观结构,其中N/C700-900的比表面积达到了 981.84 cm2/g,微孔体积占总孔体积的比例降至57.4%。另外,我们发现制备高性能ORR催化剂在改善其表面微观结构比提高活性氮含量更为重要。在整个制备流程中都未使用水溶液,是一种比较绿色的制备过程。