面对越来越严重的能源和环境危机,高效无污染的能量转换装置,如燃料电池、金属空气电池等,已成为目前的研究重点。然而,阴极氧还原（ORR）动力学过程的滞后性是影响其商业化应用的重要因素。目前,已商业应用的ORR催化剂为铂（Pt）催化剂,其不仅储量有限、价格昂贵,而且稳定性差。因此,研究和开发高效且价格低的非贵金属ORR催化剂是实现上述能量转换装置大规模商业化应用的前提。过渡金属-氮原子掺杂多孔碳材料（M-N-C）因具有成本低、性能高且稳定性好等优势而备受研究者的青睐。金属有机框架（MOFs）具有很多优势,如结构稳定、比表面积高、孔结构可调节等,以其作为前驱体高温热解得到的金属-氮掺杂多孔碳材料在电化学催化领域有着出色的表现。本文以锌基沸石类咪唑框架（ZIFs）为前驱体,通过可控掺杂和维度调控的方法提高Fe活性位的分散性,一步碳化得到两种高效的铁基氮掺杂多孔碳ORR催化剂,主要研究成果如下:（1）通过价态调控设计和构筑出了一种具有规则截角十二面体形貌的高效ORR电催化剂。利用铜片通过简单的离子反应(2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺)引入Fe²⁺和Cu²⁺,可在合成过程中减少Fe²⁺的氧化,减少晶格畸变;同时,减少在碳化过程中Fe的团聚并增加Fe的分散性。经一步碳化成功合成出了Fe,Cu共协同的ZIF衍生碳骨架—Cu@Fe-N-C,Fe均匀地分布于整个碳骨架,Cu主要以单质形式被封装在碳壳内,对提高ORR性能起到了重要作用。测试结果表明,在0.1 M KOH电解液测试条件下,该催化剂的半波电位（0.892 V）比商业Pt/C高出50 mV,且具有优异的稳定性和抗甲醇中毒能力;在0.5 M H₂SO₄测试条件下,其催化性能与Pt/C较为接近。将其进一步应用于锌空电池阴极时,与商用Pt/C相比,Cu@Fe-N-C表现出更高的能量密度(92 mW cm^-2)和极好的放电稳定性。（2）通过不同维度的ZIF前驱体可以调控ZIF衍生物活性位的分散性和ORR催化性能。利用不同溶剂对金属有机框架形貌的影响,使用Fe掺杂的二维树叶状ZIF（Fe-ZIF-L）作为前驱体,Ar气氛下,一步碳化合成Fe/N共掺杂的碳纳米管结构（Fe-N-CNTs）。研究表明,溶剂对Fe活性位的存在形式和分布情况起着重要作用。在0.1 M KOH中,Fe-N-CNTs的ORR起始电位为1.02 V,半波电位为0.89 V,极限电流密度为-5.52 mA cm^-2。与商业Pt/C相比,Fe-N-CNTs不仅具有高的ORR性能,而且其稳定性及抗甲醇中毒能力也均优于Pt/C。当将其应用于液态锌空电池阴极时,Fe-N-CNTs显示出较高的功率密度(136 mW cm^-2)。在不同恒电流密度下,经过长达50000 s的放电测试后,其电压基本不变,显示出良好的放电稳定性。