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氧气还原反应(Oxygen reduction reaction)是燃料电池与锌-空电池中重要的电极反应,由于其动力学过程缓慢,需使用催化剂来加速反应进行。常用的贵金属ORR催化剂活性高,但价格贵、储量低,限制了其实际应用。碳基催化剂最有优势代替贵金属催化剂,其中杂原子掺杂碳材料与过渡金属-氮共掺杂碳材料,因其催化性能优异而受到广泛关注。本论文围绕过渡金属-氮共掺杂碳材料的制备方法、结构调控和性能测试,进行了以下3个方面的研究。杂原子掺杂碳纳米碗的制备及其氧还原性能的研究。利用界面自组装法,在静电引力和配位键合的驱动下,将含有氮和硫的碳点及FeCl3,锚定在多孔碳纳米碗(CB)的表面。经碳化后,成功制备含N,S,O,Fe多重掺杂的多孔结构碳纳米碗。该材料具有丰富的活性物种、多级孔结构和高的表面积,显示出优异的ORR活性、高的耐醇性和长时稳定性,可替代贵金属催化剂在燃料电池和金属-空气电池中使用,具有显著的应用前景。铁氮掺杂碳纳米碗(Fe-N-CB-850)的制备及其电催化性能的研究。借助于苯四胺与六酮环己烷聚合形成的富氮微孔聚合物以及铁离子与骨架氮配位反应,通过一锅法,将含有铁离子的富氮微孔聚合原位生长在CB表面。经高温碳化,成功获得具有高比表面积和多级孔结构的Fe、N掺杂碳纳米碗。其ORR活性与Pr/C相当。通过酸刻蚀,验证了嵌在CB中的Fe203为主要的ORR催化活性物种,含量较低的Fe-Nx物种也具有一定的催化活性。作为锌-空电池空气阴极催化剂,在5 mA cm-2下,该材料组装的锌-空电池放电时长达65 h,功率密度峰值为68.5 mW cm-2,与商业化Pt/C性能相当,在实际应用中具有一定的优势。氧还原(ORR)和析氧反应(OER)双功能催化剂-钴氮掺杂碳纳米碗的制备及其电催化性能的研究。在上述研究基础上,成功制备出钴氮掺杂碳纳米碗。该材料的ORR活性与Pt/C相当,OER活性远优于Pt/C。研究发现,嵌在CB中的CoO既是ORR催化活性物种,也是OER催化活性物种。作为锌-空电池空气阴极催化剂,在5 mA cm-2下,该材料组装的锌-空电池放电时长高达75h,功率密度峰值为66.5mW cm-2,稍优于商业化Pt/C。该材料高的催化活性和低廉的成本为其在锌-空电池方面的应用奠定了基础。