氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER),是制约再生燃料电池和金属-空气电池技术革新的关键过程。目前在OER和ORR中最有效的催化剂是贵金属材料,有Pt、Ru和Ir等。然而,这些贵金属材料的高成本、原材料稀少和稳定性差等不足严重阻碍了它们的工业化应用。因此合成经济实惠、原料丰富、性能优异的非贵金属催化剂是当前电池技术发展的主要目标之一。本论文结合碳材料和钴基化合物在电催化反应中的优势,合成了几种钴基化合物/碳复合材料,并对其形貌、结构与其电催化性能之间的关系进行了研究,为开发燃料电池等的高效电极材料提供了基础。论文的主要研究工作包括以下方面:1、提出了一种不经过高温煅烧过程来制备电化学催化剂的简便方法。该方法以氧化石墨烯为模板,甲酰胺作碳源、氮源和还原剂,加入二价钴盐并在适当温度下加热搅拌来合成钴-氮碳/石墨烯(Co-NC/RGO)复合材料。与传统Co-NC材料相比,该催化剂的制备过程没有经过高温煅烧,避免了金属钴颗粒的团聚,保留了更多的活性位点。同时,Co-NC与石墨烯的复合,也保证了该材料的优良导电性。这种制备方法的合成及后处理操作简易,经济节约,易于扩大生产,具备良好的应用价值。以Co-NC/RGO为电极材料,在碱性介质中测试发现,其在ORR和OER反应中均具备优异的催化活性和稳定性。以该催化剂作为阴极材料,以锌片为阳极,可组装成高活性和高稳定性的锌-空气电池,为金属-空气电池的发展提供了新思路。2、以钴铝水滑石(CoAl-LDH)和石墨烯为前驱体,经水热过程合成了水滑石与石墨烯的复合气凝胶材料(CoAl-LDH/GA),再通过高温煅烧,得到钴铝氧化物/石墨烯气凝胶(CoAl2O4/GA)。为了增加材料的催化活性,在水热过程中加入了适量的氨水和水合肼进行氮元素掺杂。所获得的CoA12O4/GA复合材料在碱性条件下测试,发现其对OER和ORR都有着很好的催化活性,是一种双功能催化剂材料。该材料对ORR的催化活性可与20wt%Pt/C相媲美,而循环稳定性远高于后者,并且其对OER的循环稳定性也优于20 wt%Ir/C。此复合材料原料来源广泛,容易量产,是一种理想的电极材料。3、提出了一种以钴铝水滑石(CoAl-LDH)为前驱体,利用聚偏二氯乙烯(PVDC)和LDH之间的化学作用来合成氮掺杂多孔碳材料(N-CNs)的新型方法。该材料保持了 LDH的六方片状结构,具有较大的孔隙率,同时在合成过程中通过加入三聚氰胺掺杂氮元素,使其在OER和ORR反应中均表现出优良的电催化活性。同时,该材料在可充电式锌-空气电池的中也展现了优异的性能。该研究为多孔碳材料的制备和应用提供了新的思路。