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随着不可再生能源的日益枯竭,经济快速发展与能源危机之间的矛盾日益加剧,探寻可持续的高效能源成为未来社会发展的重要任务之一。金属—空气电池的负极为活泼金属(锂、镁、铝和锌等),正极为空气(氧气),通过金属被氧化、空气(氧气)被还原的电极反应,将化学能转变成电能,具有环境友好、无毒、比能量密度高、轻便等优点,是一种极具应用前景的高效能源。然而,金属—空气电池能量转换系统中,正极缓慢的氧还原反应严重降低了电池转换效率,阻碍了电池的发展。催化剂可加快氧还原反应电极过程,提高电池转换效率,对于金属—空气电池开发应用具有重要意义。铂族金属及其合金具有优异的氧还原催化性能,但是其储量有限,价格昂贵,无法满足日益增加的市场需求。碳材料具有大比表面积,结构易裁制、导电性好、稳定性高,来源广泛且价格低廉等优势,在非贵金属氧还原催化剂开发应用中占据重要的地位。本论文以石墨烯和有序介孔碳(CMK-3)两种构型的碳材料为基体,通过化学掺杂法和超声辐射法分别制备N,S掺杂型的碳基催化剂以及石墨烯负载合金纳米粒子型催化剂。论文通过考察掺杂源、成分配比、温度等因素对样品氧还原催化性能的影响规律,探讨影响样品催化性能的内在机理,优化出一系列高性能碳基氧还原催化剂的合成条件。研究结果表明,杂原子掺杂的样品中,含N官能团中吡啶N对氧还原反应四电子转移路径起重要作用,噻吩S对氧还原反应有一定的促进作用。其中,杂原子掺杂的CMK-3样品中(N-CMK-3,NS-CMK-3),12.5-NS-CMK-3表现出良好的氧还原催化活性(ηonset=0.92 V vs.RHE,n=3.91,H2O2≈4%,k=-60.4 mVdec-1),其催化性能明显优于其它组分或N-CMK-3,说明合理的成分设计以及N,S原子间的相互协同效应可以显著改善样品的氧还原催化活性;此外,杂原子掺杂的石墨烯样品(N-GO、HN-GO和NS-GO)中,尿素作为掺杂源不仅提高样品(HN-GO)中总氮含量,同时提高了活性单元吡啶N的相对含量,使HN-GO氧还原催化活性明显优于N-GO或NS-GO,如200-HN-GO-180表现出良好的氧还原性能(Ntotal=14%,ηonset=0.92 V vs.RHE,n=3.86,H2O2≈8%)。超声辐射法可以快速将溶液中的金属离子还原成金属原子,并逐步形成纳米粒子或合金纳米粒子,单相合金纳米粒子因为晶格缺陷产生活化中心,形成氧还原催化活性。石墨烯负载金属纳米粒子的平均粒径为3 nm～5 nm,具有较好的分散性和稳定性。在 Co-Fe-Pd 合金体系中,Co5Fe2Pd1/rGO 纳米粒子相比 Co5/rGO、Fe2/rGO、Co5Fe2/rGO、Fe2Pd1/rGO或Co5Pd1/rGO纳米粒子具有更好的氧还原催化活性,说明三元合金粒子较二元、单元纳米粒子产生的晶格压缩效应更为明显,活性位点数量更多;金属Sn替代Co-Sn-Pd合金中Pd可降低催化剂制备成本,随着金属Sn含量逐渐增加,其氧还原催化活性逐渐增强,当Sn:Pd=1:1时(Co5Sn0.5Pd0.5/rGO)氧还原催化性能达到最佳(ηonset=1.05 V vs.RHE,n=3.93,H2O2≈4%,k=-66.3 mVdec-1),其催化性能明显优于Pt/C催化剂,说明该合金粒子具有最大的晶格压缩效应,产生更多的活性单元。同时,Co5Sn0.5Pd0.5/rGO合金粒子在碱性溶液中也表现出优异的氧析出催化效应,说明其具有良好的双功能催化活性和稳定性。