燃料电池和金属空气电池具有高能量密度、环境友好等优点,然而,氧气电极缓慢的反应动力学（氧还原、氧析出）严重限制了其能量转换效率。贵金属铂、钌、铱等是目前最高效的氧气电催化剂,但贵金属催化剂的大规模商用严重受限于资源匮乏、使用成本高、稳定性差等缺点。因此,发展低成本、高效能、稳定的非贵金属氧气电催化材料对燃料电池和金属空气电池的广泛应用至关重要。本论文工作主要以碳基非贵金属材料为研究对象,通过优化实验方案调控材料的形貌和微结构,调节催化活性位点的丰度和活性,构筑一体化电极改善材料的导电性和机械稳定性,建立构效关系,实现最优化的电化学性能,并分别探索了各催化材料在实际器件中的应用情况。研究工作主要集中在以下几个方面:1.开发了一种原位复制的方法来合成铁-氮掺杂介孔碳微球。其中四氧化三铁（Fe₃O₄）介孔微球作为多功能模板使用,包括,用作介孔结构导向剂,作为用于吡咯氧化聚合的铁离子氧化剂的来源,作为铁掺杂前驱体。该方法解决了传统上依赖氧化硅模板合成存在的问题,如在复杂的去模板的过程中不可避免的使用强毒性及腐蚀性的氢氟酸、热碱液,模板与前驱体混合不均匀且利用率低等。与商业的Pt/C催化剂相比,所获得的铁-氮掺杂介孔碳微球催化剂在碱性电解液中表现出更高的氧还原电催化活性、选择性和耐久性,并且在酸性介质中也具有与Pt/C相当的活性。特别地是,得益于介孔微球的开放式骨架结构和有效的铁掺杂,用做碱性和质子交换膜燃料电池阴极催化剂分别实现了高达506和463 m W cm^-2的功率密度。2.基于前驱体优化合成金属氮碳（M-Nx/C）类氧还原电催化剂的理念,本文采用液氮急速冷冻辅助快速形核生长的策略将乙二胺四乙酸铁钠盐这种具有固有的金属、氮、碳原子级分散的螯合物均匀的锚定在氧化石墨烯上,以此为前驱体高温碳化和随后的酸处理合成了一种高催化活性的自支撑铁-氮掺杂多孔碳片氧还原电催化剂,解决了催化剂团聚均匀性差等问题。纳米片状形貌和高比表面积的分级多孔结构确保了催化活性位点的暴露和高速的传质效率,使其在碱性电解液中表现出优异的催化性能,优于商业Pt/C催化剂,包括更正的起始电位和半波电位,更长时间的稳定性。3.通过设计新型廉价的可快速大量合成的铁离子螯合脲醛树脂水凝胶（Fe-UFR）来构建聚合物和过渡金属的均匀复合体系,以利用脲醛树脂中的羧基和酰胺基与金属离子的高相容性和配位能力,实现了溶胶-凝胶过程中金属颗粒在碳氮高分子前驱体中接近原子尺度的均匀分布,有效解决热解产物中金属的团聚及微结构和微成分的不均匀性等问题。高温热解碳化合成了铁-氮掺杂多孔碳双功能催化剂,催化剂中不同孔道的组合结合高活性位的均匀负载实现了传质与活性的最优化组合,使其在氧还原及氧析出测试中都表现出了高活性和稳定性。此外,组装的可充电锌空气电池表现出出色的性能,包括较低的充放电过电位、更高的功率密度和更好的循环稳定性。4.通过一步高温碳化钴-二甲基咪唑金属有机框架（ZIF-67）/聚吡咯纳米纤维网络/碳布（ZIF-67/PNW/CC）开发了一种由氮化钴（Co₄N）复合碳骨架、碳纤维网络、碳布（Co₄N/CNW/CC）组成的三维柔性自支撑双功能空气电极。其中,衍生自聚吡咯纳米纤维的氮掺杂碳纤维网络交织在一起包裹在碳布上,形成稳定的三维互连导电网络。高温热解碳化不仅合成了具有氧还原高催化活性的氮掺杂碳和Co-Nx/C活性位,而且得到了氧析出高催化活性的Co₄N。此外,多面体多孔氮掺杂碳骨架将Co₄N颗粒和Co-Nx/C活性位点锚定在三维互连氮掺杂碳纤维网络上,进一步增加了电极结构稳定性。受益于这些优点,Co₄N/CNW/CC电极显示出优异的双功能催化活性,包括较低的氧析出过电势、更正的氧还原半波电位,以及长循环稳定性和高选择性。以Co₄N/CNW/CC为空气电极组装的缆式可充电柔性锌空气电池表现出较低的充放电过电位、出色的循环稳定性和机械稳定性,使其在可穿戴电子设备中具有巨大的应用潜力。