目前,人类赖以生存的传统化石燃料正在被飞速的消耗,带来了温室效应、酸雨、雾霾等环境问题。全世界在面对能源危机和环境污染这两大难题时达成了普遍的共识,要全力开发绿色清洁能源。燃料电池、金属-空气电池是现今最有发展前景的清洁能源转换设备,其获得商业化应用是缓解当前难题的有效方式之一。目前,贵金属及其氧化物均为使用率最高且最为广泛的电催化剂。但是由于贵金属资源匮乏,成本昂贵且稳定性较差,不适用于大规模的工业化应用。过渡金属掺杂的碳基电催化剂因其具有更好的稳定性和抗甲醇中毒效应[1,2]逐渐成为研究人员的主要研究方向,开发一种新型成本低廉且高效的非贵金属电催化剂并促进可再生能源技术的发展已经成为全世界共同面临的机遇和挑战。本论文的基本目标在于研究探索电催化领域的重点科学问题,通过调控过渡金属的掺杂方式,制备了两种性能优异的过渡金属氧还原催化剂,且为设计和制备结构合理的过渡金属碳基电催化剂提供了新的思路。主要研究内容如下:一、机械化学法制备高性能铁掺杂碳基氧还原催化剂。利用机械球磨法一步合成含Fe的ZIF-8和氯化钠的混合前驱体,经过高温碳化制备了一种富含边缘的三维片状多孔氧还原催化剂(3D-SAFe-NC)。得益于氯化钠对ZIF-8前驱体高温煅烧的限域作用,制备的碳基催化剂导电性、电负性和孔道结构得到了改善。在0.1 M HClO4酸性电解液中,3D-SAFe-NC催化剂具有0.82 V(vs RHE)的半波电位,远超出其他非贵金属催化剂。该催化剂的制备方法简化了催化剂合成过程,同时也为构建高效电催化剂提供了新的解决方案,并有望进行催化剂宏量制备的研究。二、超分子自组装法制备铁掺杂碳基氧还原催化剂。基于对制备过程简便,环境友好的追求,选择了三聚氰胺和二苯基磷酸形成的超分子做为碳材料的前驱体,该超分子包含了丰富的N,P杂原子,经过碳化热解,杂原子掺杂进入碳基底。另外,将铁离子与邻菲罗啉络合,在络合分子的保护下,铁以Fe2P纳米晶体的形式掺杂入形成的碳材料。在0.1 M KOH碱性电解液中,NPC-Fe2催化剂具有0.879 V(vs RHE)的半波电位。该方法简单高效,可用于大规模过渡金属氧还原催化剂的制备,且应用于锌空电池中最大功率密度高达134.2 mW/cm2,高于商业Pt/C催化剂的最大功率密度108.1 mW/cm2。