可持续能源需求的不断增长促进了高效率、低成本和环境友好型能量转换和存储系统的广泛研究。氧释放和还原反应（OER和ORR）是许多可再生能源技术的核心,如可逆燃料电池和可再充金属（金属氢化物）-空气电池。然而,这两个反应迟缓的动力学严重阻碍了这些可再生能源技术的商业化。因此,高催化活性的电催化剂的开发是这些技术发展的关键。目前,Pt及其合金仍然是催化活性最高的ORR催化剂,RuO₂和IrO₂是最佳的OER催化剂,但这些贵金属的稀缺资源和高成本限制了它们的实际应用。因此,廉价和稳定的非贵金属双功能催化剂的开发是非常重要的。本论文在综述了氧电极催化剂研究概况的基础上,依据电催化的基本原理,有目的设计合成具有高效电催化活性的钴基双功能氧电极催化剂,并对其进行了相关的结构和电化学性能表征,所获得的研究成果如下:选择双钙钛矿PrBaCo₂O₅为研究对象,探讨Co⁴⁺对氧电极催化性能的影响,采用Sr²⁺掺杂和Ba²⁺缺位方式制备出具有高催化活性的新型双功能氧电极催化剂。研究发现,Sr²⁺掺杂和Ba²⁺缺位可以增加Co⁴⁺（e_g=1）含量和氧空位浓度,促进OER和ORR电催化活性。其中,PrBa_0.25Sr_0.75Co₂O_5.95催化剂由于具有最高的Co⁴⁺（e_g=1）含量,表现出最优异的电催化活性。OER起始电位、Tafel斜率和10.0mA·cm^-2电流密度下的过电位分别为1.52 V、75.8 mV·dec^-1和0.42 V,可媲美目前报道的高性能OER催化剂。同时,ORR起始电位、Tafel斜率、极限电流密度和电子转移数分别为0.753 V、58.3 mV·dec^-1、4.081 mA·cm^-2和3.92,说明PrBa_0.25Sr_0.75Co₂O_5.95催化剂还能催化ORR。设计了一种简易路线,将高导电性的rGO和高催化活性的多孔Co₃O₄进行合理整合,补偿Co₃O₄的短缺,并且发挥二者的协同作用,成功合成了高OER活性和稳定性的rGO包裹的多孔Co₃O₄蛋黄-壳纳米复合材料（rGO-Co₃O₄ YSNCs）。rGO-Co₃O₄ YSNCs复合电极的Tafel斜率、0.45 V过电位下的电流密度和10.0mA·cm^-2电流密度下的过电位分别为84.9 mV·dec^-1、19.9 mA·cm^-2和0.41 V。此外,该复合电极经过500次循环测试后电流密度仅衰减2.8%。rGO-Co₃O₄ YSNCs复合材料是用于OER的潜在催化剂,可替代目前报道的高性能贵金属OER催化剂。为了获得钴基双功能催化剂,我们以钴基金属有机骨架（ZIF-67）为前驱体,通过碳化接续氧化策略,成功合成了Co@Co₃O₄纳米颗粒镶嵌的N掺杂多孔碳菱形十二面体复合材料（Co@Co₃O₄/CN RDCs）。由于Co@Co₃O₄纳米颗粒和N掺杂多孔碳的协同催化作用,使得复合材料具有优异的双功能催化活性,且其催化活性与Co纳米颗粒的氧化程度和N掺杂多孔碳的含量密切相关。250℃氧化1 h形成的Co@Co₃O₄/NC-1复合材料具有最高的电催化活性面积,OER和ORR间的电位差ΔE为0.79 V,且500次循环测试后电流密度仅微弱衰减,具有最大的双功能催化活性和耐久性,超过文献报道的高性能双功能催化剂Co@Co₃O₄/NC、Co@Co₃O₄/NCNT、Co₃O₄/NPGC和Co₃O₄/PGC。