清洁能源技术的发展可以从根本上解决能源枯竭和环境污染等问题。燃料电池能通过电化学反应将化学能转化为电能,但是其阴极氧还原(ORR)动力学缓慢的问题限制了它的商业应用。目前燃料电池阴极氧还原使用最多的催化剂是贵金属Pt,但是这种贵金属不仅价格昂贵,而且在地球上的存储量十分有限。在目前已报道的氧还原电催化剂中,大环化合物类催化剂被认为未来最有可能替代贵金属Pt。非碳化的大环化合物结构明确,易于分析催化位点,但它们的循环稳定性和催化活性都比较差。可以通过高温碳化,或者开发可溶性大环聚合物来提高它们的氧还原性能。本文通过合理的结构设计制备了多种大环聚合物,研究了它们的氧还原性能。具体内容如下:(1)为了探究大环化合物的溶解规律,我们通过微波法制备了可溶性金属大环聚合物氧还原电催化剂,比较了它在不同pH下的溶解性。结果表明,该催化剂在强碱溶液中的溶解性最好,在酸性溶液中微溶,在中性溶液中不溶。催化剂在不同pH下溶解性的差异是由它本身的电子结构和电荷密度所决定的。(2)为了进一步探究水相可溶解性金属大环聚合物的氧还原活性,我们利用微波法快速合成了三类具有金属-N-4结构的金属大环聚合物及其相应的大环聚合物,并对其进行了电化学氧还原活性测试。结果表明,在这几种大环聚合物中,THP-Fe的氧还原性能是最好的。碱性测试条件下半波电位达到了0.77V(vs RHE),催化过程进行的是四电子反应。催化剂在经过45000秒的恒电位测试后,电流密度仅仅减小了3.1%。此外,催化剂的抗甲醇中毒性能要远远超过商业Pt/C。(3)为了提高金属大环聚合物的氧还原活性和催化稳定性,我们对前面合成的几种金属大环聚合物前驱体高温碳化得到了非贵金属M-N/C电催化剂。研究了前驱体,金属源,碳化温度对催化剂氧还原性能的影响。结果表明,THP-Co-900是这几种催化剂中氧还原性能是最好的。碱性测试条件下半波电位达到了0.85V(vs RHE),和商业Pt/C相当,催化过程进行的是四电子反应。此外,催化剂的催化稳定性和抗甲醇中毒性能均远远超过商业Pt/C。