质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有高效、耐用、环保等优点,有望成为解决汽车动力源问题的最终解决方案。而氧化还原反应(ORR)在燃料电池中是将燃料中的化学能直接转化为电能的关键反应,传统的氧化还原反应是使用商用Pt/C等贵金属催化剂进行的。然而,贵金属催化剂资源稀缺,稳定性差,严重阻碍了其在ORR中的广泛应用。迄今为止,在寻找非贵金属ORR催化剂的潜在替代品上已经进行了广泛的研究。其中,多孔碳材料是一种很有前途的电化学催化剂,碳材料作为一种低成本、无金属的电催化剂,具有方法简单、导电性高、稳定性好、环保等优点。尽管在过去的十年中已经进行了大量的研究工作,但是目前的碳基催化剂在酸性介质中仍然存在较低的ORR催化活性。近年来,基于缺陷的非金属电催化剂因其潜在的应用价值而引起了人们的广泛关注。然而,对于缺陷位点的控制形成仍然存在着巨大的挑战。本论文设计合成了以类沸石咪唑骨架为前驱体,通过直接碳化的方法制备了几种结构不同的非金属多孔碳材料并将其应用于电化学氧化还原反应,主要研究内容如下:1.通过调控ZnO量子点的加入顺序,采用两步法成功合成了两种结构不同的ZIF-7基前驱体。一种是将ZnO量子点包裹在由ZIF-7晶体堆积而成的孔道内,具有半封闭结构的ZnO@ZIF-7。另一种是ZnO量子点负载于纯ZIF-7晶体表面的前驱体材料ZIF-7@ZnO。2.在相同的煅烧条件下,分别使两种不同结构的前驱体和纯的ZIF-7晶体发生碳化得到了非金属碳材料ZnO@ZIF7-900,ZIF7@ZnO-900及ZIF7-900。通过一系列表征手段,分析研究了两种合成方法对碳化结果的影响。我们发现在碳化过程中ZnO量子点强烈的碳热还原反应造成ZIF7@ZnO-900材料具有较大介孔和大的比表面积。而ZnO@ZIF7-900材料由于前驱体的半封闭结构,在高温碳化下产成了丰富的碳缺陷结构,且球面像差校正透射电子显微图像也显示了该材料存在大面积的边缘缺陷位点。3.我们将三种非金属碳材料应用于电催化ORR反应中,发现无论碱性还是酸性介质中材料的ORR活性都存在ZnO@ZIF7-900>ZIF7@ZnO-900>ZIF7-900。碱性介质中ZnO@ZIF7-900材料的半波电位为0.89 V,超过20%商业Pt/C 65 m V。其酸性介质中催化活性也可以与商业Pt/C相媲美,半波电位仅与20%商业Pt/C相差52 m V。我们测定了反应的电子转移数和过氧化氢产率,确定了ZnO@ZIF7-900材料的氧还原四电子过程。通过Tafle曲线发现ZnO@ZIF7-900材料的Tafel slop值都位于氧吸附区,推测ZnO@ZIF7-900氧还原的中间产物迁移可能是速率决定步骤。且ZnO@ZIF7-900催化剂的稳定性和耐甲醇毒性同样具有优良的性质。