1 引言
目前能源枯竭和环境污染等问题是人类社会所面临的严峻挑战，依靠化石燃料进行能源消费和生产，也对世界经济和生态健康的可持续发展极为不利。[1]因此，开发燃料电池，电解池与金属空气电池等清洁能源存储与转换装置就显得尤为重要[2]。电催化过程是这些器件中的重要反应，电催化材料的开发与利用在一定程度上决定着这些清洁能源转换与存储装置的性能与未来发展。为了取代贵金属催化剂，杂原子掺杂等条件下改性的碳材料被证明是一种极具前景的非金属电催化剂[3]。
2 研究现状
迄今为止，Pt基合金一直被认为是最好的ORR催化剂。然而，pt基催化剂仍然不适合MFC的应用，因为它们对毒物的耐受性低，耐久性差以及成本高：[4]贵金属催化剂，特别是Pt基催化剂具有较高的稳定性和优异的电催化活性，目前商业化ORR电催化剂仍以铂系催化剂为主，但金属 Pt 在自然界中储量低、价格昂贵[5]，是制约燃料电池市场化应用的关键因素。
许多纳米碳如石墨烯和具有介孔和/或大孔结构的碳纳米片被提出作为ORR催化剂的载体，优异纳米碳材料，特别是sp2杂化碳纳米管和石墨烯，因其优越的比表面积、可控的表面化学和优异的机械强度[7]等性能而被广泛研究作为催化剂载体[6,7]。性能调整的关键修饰剂是碳表面的官能团，包括氧、氮和其他掺杂的杂原子(硼、硫和磷)：N和磷化铁共掺杂碳纳米管，展现出多元素共掺杂、多活性位点及良好分散性等特点。它们会对负载型催化剂产生重大影响。通过金属载体的相互作用强度来调节负载型金属催化剂的分散性和表面电子结构，可以显著地调节催化剂的反应活性，以适应不同的多相反应[8]。氧还原性能归因于分级多孔碳在测试过程中可以加速材料的电子转移，也是因此方法简单可控，先前已经有人发现核壳纳米碳中的大孔可以显著促进氧供应和离子扩散通道的构建，大大提高了ORR性能[9,10]。
在非贵金属催化剂的制备思路上，有如下几个例子：
（1）使用电负性为2.04的硼代替碳原子也可以打破均匀的电荷密度，在过去的十年中，研究人员成功地合成了硼掺杂碳材料并将其用作ORR电催化剂。然而，与磷掺杂的碳材料相似，硼掺杂的碳材料的性能不如氮掺杂的碳材料。[11]
（2）过热解含有植酸铁和叶酸的前驱体粉末，合成了FeP嵌入在 N、P双掺杂多孔碳纳米片，FeP的粒径约为 18-40nm，ORR结果表明，FeP、NPCs的起始电位与Pt/C相当，半波电位比Pt/C相差 15 mV。这些卓越的性能归因于磷掺杂可以增强碳原子自旋密度增加其吸附氧的能力。
（3）运用纳米硅和碳材料进行复合，利用纳米硅来缓解机械应变，以有效地适应体积变化，避免材料破裂，提高循环性能，但是存在硅与夹层相互剥离、纳米硅团聚及电解液侵蚀等问题，并且这类结构常使用石墨烯、碳纳米管等昂贵材料，如想实现产业化，如何降低成本将是关键[12]
。在碳壳的选择上，因为惰性氮气保护下，爆轰产物颗粒形状主要成球体或椭球体，具有完好的核壳结构，碳壳层主要由无定形碳和石墨构成[13]。因此选用爆轰灰中分离出来的纳米碳壳为碳材料。
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