质子交换膜燃料电池（PEMFC）、金属-空气电池（Metal-air battery）具有低排放或零排放以及高效率等优点,引起了人们广泛的研究。氧还原反应（ORR）是这些先进能源技术的关键反应。然而,ORR反应涉及多电子转移过程,其动力学迟缓,需要大量的电催化剂来降低反应能垒,加快反应速率。铂（Pt）基催化剂（PGM Catalysts）价格昂贵、资源稀缺、易毒化的问题严重阻碍了商业化应用。目前,廉价、资源丰富的非铂催化剂（PGM-free Catalysts）ORR催化活性不高,稳定性较差。因此,开发一种高效稳定的非铂催化剂十分重要。针对质子交换膜燃料电池阴极非贵金属催化剂的可控设计和性能调控,本文的主要研究内容如下:（1）高性能Fe/N-C催化剂的制备及其ORR/OER双功能性能研究（i）通过软模板和聚吡咯封装法设计了一种原子级分散的Fe/N共掺杂的双壳层中空碳纳米球催化剂（AD-Fe/N-C）。用多孔中空的四氧化三铁作为模板和铁源,吡咯作为氮源。采用聚吡咯锚定Fe可以有效防止热解过程中Fe团聚,使其高度分散,同时,热解后的催化剂形成了独特的开放式双壳层中空结构。（ii）通过电化学表征发现AD-Fe/N-C催化剂在碱性条件下具有较高的ORR和OER双功能活性（过电势差ΔE仅为0.655 V）。对于ORR而言,半波电位高达0.927 V,经过10000圈稳定性测试活性基本不变。对于OER而言,电流密度为10 mA cm-2时过电势仅为352 mV。分析结果表明,优异的双功能活性可能归因于丰富的介孔、高含量Fe-Nx活性位以及开放式的双壳层中空结构。（2）高活性高稳定性FeCo/N-C催化剂的制备及其氧还原性能研究（i）在Zn-MOF生长过程中原位掺杂Fe-Co双金属,然后在NH3气氛中900℃热处理,通过调节Fe-Co掺杂量成功制备出尺寸均一的CoFe@C纳米粒子负载的FeCo/N-C催化剂。RDE测试结果表明Fe3Co15/N-C催化剂起始电位高达0.981 V（vs.RHE）,半波电位高达 0.851 V（vs.RHE）,jm@0.8V 接近 60 Ag-1,且在 AST 测试中展现出优异的稳定性。（ii）通过XPS、TEM、SEM和XRD等表征发现:1)Co的掺杂会形成新的活性位,从而进一步提高Fe3/N-C催化剂的ORR活性;2)Fe-Co双掺杂会形成更加丰富的孔结构,增加活性位的暴露,提高质子传输,从而提高催化剂的ORR活性;3)DFT结果表明Fe4/Fe2CO2的存在会稳定高自旋态FeN4结构,使得氧气趋向于平行吸附在FeN4上,从而增强氧气吸附,更好的活化O-O键（拉长O-O键）,大大降低了氧气解离能垒,使得O-O键断裂更加容易。（ⅲ）利用2,2’-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）探针以及稳定性循环前后XPS表征发现,Co的掺杂会削弱Fe基催化剂Fenton反应程度,降低活性氧自由基含量,抑制了由于氧自由基引起的碳腐蚀,减缓了金属中心的流失,从而提高了催化剂的稳定性。