燃料电池(Fuel Cell)是一种高效、环境友好的电化学发电装置,能持续将燃料的化学能转化为电能,是未来可持续能源体系发展的重要目标。目前,已在汽车动力、家庭电源等民用领域示范运行,但因其成本高和催化剂活性易衰减等问题,而阻碍了燃料电池的产业化进展。铂基材料是燃料电池中最常用的阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)催化剂。由于铂基材料资源有限、价格昂贵及易受CO毒害,ORR催化剂的研究主要集中于低Pt材料改性和非Pt催化剂两个方面。非金属掺杂和非贵金属复合的碳材料因对ORR有良好的催化性能而吸引了广泛的关注。本文以低成本和高性能的ORR催化剂材料为目标,设计了系列非贵金属材料,探索发展绿色可行、低成本的制备方法,并系统研究了该催化剂在碱性条件下的ORR催化性能及在葡萄糖燃料电池中应用。本论文的主要工作如下:⑴通过对固体材料的物理混合与高温处理,经酸洗处理,制备出钴铁/多孔碳的催化剂。利用XRD、比表面积分析、扫描电镜、透射电镜和X射线光电子能谱等表征手段对所制备的材料进行了物相、结构及组分分析;并利用标准三电极系统对材料的氧还原和析氧反应电催化性能进行测试。实验显示,钴铁合金掺杂的多孔碳在碱性溶液中催化氧还原或析氧反应的起始电位比较接近贵金属催化剂,其在10 mA cm-2对应的析氧电位仅比RuO2小20 mV。⑵物理混合的固体材料经高温和经酸洗处理,制备出系列硫氮掺杂的多孔碳材料。从中筛选性质良好的碳材料进行改性,并研究催化剂在氧还原反应和葡萄糖传感的应用。实验结果表明,金属与掺杂碳的协同作用增强了材料对氧还原反应和葡萄糖氧化的催化活性,且在碱性溶液中有良好的稳定性。⑶以改良Hummer’s法合成了氧化石墨烯(GO),经水热和热处理制备出了NiO/GNS的纳米材料。通过系列的物理表征(XRD、BET、SEM、TEM等)和电化学测试对NiO/GNS在无酶葡萄糖传感和生物燃料电池中的催化性能进行了系统的研究。结果表明,NiO/GNS有良好的选择性和抗干扰性,对于葡萄糖的检测灵敏浓度低至5μmol L-1,在5μmol L-1~4.2 mmol L-1的范围内有良好的线性关系,并在燃料电池循环中表现出了较好的稳定性。