氧还原反应(ORR)是燃料电池等能量转化装置中重要的电极反应,一般需在贵金属铂催化剂的作用下才能达到实用要求,价格与寿命是氧还原催化剂的瓶颈问题。近年来发现,用富电子的氮对sp2碳材料掺杂可使其在碱性条件下获得优异的氧还原性能。因此,以替代贵金属铂为目标的碳基无金属氧还原催化剂的研究成为新的前沿热点。但是目前对掺杂碳基材料的氧还原催化研究存在两个问题：1)缺乏系统的设计理念以及可遵循的规律；2)在有更大实用价值的酸性介质中活性很低。我们针对这两个问题,从缺电子的硼掺杂碳纳米管也能催化需要电子的氧还原反应这个实验现象入手,通过理论计算获知了碳基材料是否具有氧还原活性的关键在于其π电子能否被氧分子有效利用,从而提出了在碱性介质中以活化π电子为核心的将sp2碳材料转化为氧还原电催化剂的策略[1]。为了验证这个策略并深刻认识作用机理,开展了硼氮共掺杂碳基纳米管的氧还原性能研究。通过设计实验,获得了以硼氮分离及硼氮相邻为特征的两类共掺杂纳米管。理论计算表明,相邻硼氮的空轨道与孤对电子之间会发生补偿作用而失去对共轭π电子的活化能力。因此,这两类纳米管分别对应着共轭π电子被活化和未活化状态。实验结果表明π电子被活化的纳米管保持了优异的氧还原活性,而未活化的纳米管失去了氧还原活性[2]。最后,针对酸性介质中氧还原过程易受到溶液中阴离子干扰和超氧离子无法参与反应的特点,提出了以增强分子氧吸附来提高酸性下的氧还原活性的思路。并以此为依据,在实验上控制合成出了含有亲氧的硼氮共掺杂微结构的碳基纳米材料,获得了在酸性下高活性的碳基无金属氧还原电催化剂。综上所述,通过控制共掺杂微结构,调节π电子活性和氧吸附能力可分别在碱性和酸性介质中提高碳基氧还原电催化剂活性。这些结果表明,碳纳米材料丰富的构型结合多种元素(B,N,P,S等)单/共掺杂极有希望发展出具有实用性的燃料电池用先进氧还原电催化剂。