当今社会,经济在不断的发展,随之带来一系列的环境污染问题,同时也面临着日趋严重的能源危机,因此,包括风能、波浪能、太阳能和水能在内的可再生能源已经成为替代传统化石燃料的能源来源,以实现绿色、经济和可持续发展的社会目标。近年来电动汽车发展迅速,金属空气电池和燃料电池在下一代电动汽车和混合动力汽车中具有的很大的潜力。金属空气电池由于具有较高的理论能量密度和比容量,材料环保、生产成本低廉以及安全性高等优势,吸引了大量的研究人员来研究开发以提高金属空气电池的性能,目的是使金属空气电池能够早日商业化生产应用到人们的日常生活中。因为金属空气电池是由金属电极,电解液和空气电极三部分组成的,所以影响金属空气电池性能的因素也是这三个方面。其中,最关键的技术是设计出高效可工业化生产的空气电极,而空气电极中最主要的是氧还原(ORR)电催化剂。因此,对于金属空气电池的工业化生产以及商业化应用,一方面需要开发研究具有活性高和生产成本低的催化剂,提升空气电池的性能;另一方面有必要开发研究催化剂批量工业化制备的方法。本文主要研究了可充电锌空气电池和铝空气电池的纳米催化剂的设计与制备,做了以下两个工作:(1)开发了在FeCo@NC多孔碳纳米纤维表面生长阵列MOF(FeCo@NC+MOF)用作可充电锌空气电池的双功能催化剂。利用静电纺丝的方法制备出FeCo掺杂的纳米纤维膜,在其表面上生长阵列状的Co-MOF,进一步进行高温碳化,得到了阵列MOF负载的FeCo@NC多孔碳纳米纤维膜,实现了结构与性能的合理最优化,提高了可充电锌空气电池的性能。得益于独特的三维多级多孔结构,一方面这种结构能够使更多的活性位点暴露出来,同时有利于反应物质以及生成物质的快速运输;另一方面有利于电荷的快速转移和电子的运输。除此之外,此纳米纤维膜催化剂具有良好的柔韧性和机械性能,可直接用作空气电极的电极材料。所获得的FeCo@NC+MOF复合材料具有优异的电化学性能,在碱性电解质中,该催化剂在氧还原反应中的半波电位达到0.875V,优于商业铂碳催化剂。同时稳定性和抗甲醇能力也远优于商业铂碳催化剂。在氧析出反应中,FeCo@NC+MOF复合材料在10mA cm-2的电流密度下的过电位为410mV,远小于商用催化剂氧化铱的474mV的过电位。为了测试该催化剂的电池性能,我们将该催化剂制备成可以自支撑的无需粘结剂的空气电极应用到可充电锌空气电池中。组装的可充电锌空气电池开路电压达到1.45V,功率密度达到180 mWcm-2,分别测试了在5、10、20 mA cm-2的不同电流密度下的充放电,电池充放电稳定而性能几乎没有衰减,远优于商业铂碳催化剂。(2)基于限制金属空气电池难以商业化的一个重要原因是催化剂的批量工业化生产制备问题,探索研究了一种催化剂可以批量制备的方法。以甲酰胺为碳源和氮源,采用加热回流的方式,不断加入金属盐,催化反应的进行,制备出固体产物,进一步进行碳化处理,制备成Co-N-C催化剂。除此之外,分离出固体后所剩的溶液可以作为下次反应的母液,进行重复循环利用。采用此方法,通过调控反应温度与加入金属盐的量,我们初步探索出了一种可以批量制备催化剂的方法。与此同时,所获得的Co-N-C催化剂材料具有优异的电化学性能,在碱性电解质中,该催化剂在氧还原反应中的半波电位达到0.90V,远优于商业铂碳催化剂。随后我们将Co-N-C催化剂材料应用到自制的铝空气电池中。组装的铝空气电池的开路电压能够达到1.77V,功率密度达到 200mW cm-2,测试了在 10、20、50、100 mA cm-2的电流密度下的放电性能,电池放电电压稳定且几乎没有衰减。