化石能源的大量使用不仅引起能源危机,而且也带来严重的环境污染问题。解决能源危机和环境污染是实现能源生态化和可持续发展亟待解决的问题。开发新型环保的节能技术可以有效缓解能源危机和生态环境问题。燃料电池和锌-空气电池由于其成本低、效率高、零排放、能量密度高等优点被认为是最有前途的绿色电池。然而,燃料电池和锌-空气电池的氧还原反应（ORR）需要催化剂提高反应速率。尽管已经发展了很多过渡金属碳基催化剂,但是仍然存在制备过程复杂,成本高,过渡金属团聚等问题。本论文主要以沥青为碳源,利用煤沥青在热解过程中会发生大量热聚合/缩合反应的特点有效缓解过渡金属团聚问题,并且降低成本。通过合理设计制备出高比表面积,优异催化剂活性和稳定性的过渡金属-氮共掺杂碳材料。同时探究了不同碳化温度、金属含量对金属氮掺杂碳材料的催化性能的影响。具体研究内容如下:1、以含有二茂铁的煤沥青和三聚氰胺为前驱物,混合后在氩气氛围中通过高温热解方法制备了Fe₃C纳米颗粒均匀分散的碳纳米片（Fe₃C@Fe-N-CNSs）,其中Fe₃C颗粒粒径大约为5nm。探究了不同热解温度和二茂铁添加量对材料氧还原性能的影响。得到的Fe₃C@Fe-N-CNSs催化剂在0.1 M KOH中的起始电位和半波电位分别为1.04V（vs.RHE）和0.87V,与Pt/C相当（1.02 V和0.80 V）。更重要的是,Fe₃C@Fe-N-CNSs在中性和酸性介质中也表现出相当高的ORR催化活性。此外,Fe₃C@Fe-N-CNSs催化剂在酸性,碱性和中性介质中也显示出比Pt/C更好的甲醇耐久性和耐受性。使用Fe₃C@Fe-N-CNSs作为阴极材料组装的锌-空气电池具有优异的性能。2、以含有硝酸钴的煤沥青和2-甲基咪唑作为前驱物,在加热条件下,硝酸钴和2-甲基咪唑在煤沥青中缓慢反应生成ZIF-67,随后将含有ZIF-67的煤沥青与尿素在氩气氛围下高温热解获得Co₃C@N-CNSs复合材料。其中Co₃C纳米颗粒均匀分散在氮掺杂碳纳米片中。本实验利用煤沥青在高温下低粘度的特点,在煤沥青中合成ZIF-67,包覆在ZIF-67周围的煤沥青不仅可以有效控制ZIF-67的尺寸,而且可以保护其在热解过程中骨架不会坍塌,减少金属的团聚。此外探讨了不同热解温度对材料氧还原催化性能的影响。实验结果表明当反应温度为80℃时,硝酸钴和2-甲基咪唑在煤沥青中就可以生成ZIF-67,热解温度为800℃时得到的材料氧还原催化性能最佳。3、以含有乙酰丙酮亚铁的煤沥青和硫酸铵为前驱物,混合后在氩气氛围中通过高温热解方法制备了负载有Fe_1-xS的三维多孔氮硫共掺杂碳材料。探究了不同热解温度对材料氧还原催化性能的影响,结果表明当乙酰丙酮亚铁引入量为0.06g,煤沥青为0.5 g,热解温度为1000℃时制备的Fe_1-xS/NSC催化剂在碱性介质中具有优异的ORR/OER活性。Fe_1-xS/NSC催化剂的起始电位和半波电位分别为0.91 V（vs.RHE）和0.79 V,与Pt/C催化剂的起始电位（1.05 V）和半波电位（0.85 V）接近。将得到的Fe_1-xS/NSC材料作为锌-空气电池的阴极材料时表现出优异开路电压和稳定性。