氧还原反应(ORR)描述了氧气分子接收电子形成产物的过程。这个反应是许多重要的能量转换装置,例如燃料电池和金属-空气电池的基石。在这些应用领域中,燃料电池具有作为未来能源装置的非凡前景而脱颖而出。燃料电池被认为是最有效和清洁的能量转换装置,其中燃料通过温和的电化学方法与氧气反应而不燃烧,并且总燃料转化效率不受卡诺循环规律的限制。室温下,氢氧燃料电池的理想热力学效率达到83%。然而,在低温燃料电池中,由于其阴极氧还原反应的动力学过程缓慢,需要在阴极加载大量的Pt基催化剂来加速此反应进程。但是,铂(Pt)是一种价格昂贵金属,储量有限(仅为66000 t),导致了燃料电池的高成本,严重地阻碍了燃料电池的广泛应用。此外,Pt在实际操作条件下稳定性较差,抗甲醇能力较弱也是很具有挑战的问题。因此,设计高氧还原活性,稳定,良好的抗甲醇能力的廉价非贵金属催化剂成为了燃料电池研究的核心之一。这其中,碳基催化剂受到了研究者的广泛关注,对其研究已成为燃料电池领域最为重要的课题之一。M/N/C类催化剂因具备上述优点,成为了最具有发展前景的非贵金属氧还原催化剂。本文以Fe/N/C材料为研究对象,通过杂原子掺杂、纳米结构构造等方法,进行系统性的优化,获得高性能的ORR催化剂,其在酸性和碱性条件下均表现出优异的活性,所取得的成果如下:(1)很多理论和实验报道证实杂原子掺杂是提升碳材料ORR催化性能的一项重要策略。于是S掺杂提升Fe/N/C的ORR性能成为一种可行的方案。这项工作采用了一种高效而简便的方法,首次通过高温热解醋酸亚铁和硫脲,成功制备了原位S掺杂的FefN/C(记为S-Fe/N/C)纳米片并且S原子的掺杂量达到了 4.76%(原子比)。在碱性还是酸性溶液中,S-Fe/N/C均展示出了优异的ORR电催化性能,且其催化性能可媲美价格高昂的商业铂碳Pt/C(质量比20%)并明显优于无S掺杂的Fe/N/C。相比,S-Fe/N/C具备更好的稳定性和甲醇耐受性能,其催化ORR按照高效的4电子路径进行。本文中制备的S-FefN/C催化剂展示出了其可以成为一种很好的商业Pt/C的替代品的能力并在燃料电池及相关领域应用的无限潜能。(2)以醋酸亚铁、三聚氰胺和1,2-乙烯基二膦酸为前驱体(EDPA),使用“一锅法”的方法制备得到一种新颖的复合型氧还原电催化剂,磷化铁/N,P共掺杂碳纳米片。这其中EDPA不仅作为P源,而且起到了类似软模板的作用。该催化剂中,被碳包覆的磷化铁纳米颗粒,Fe-N和N,P掺杂的碳协同地提高其ORR催化活性。磷化铁/N,P掺杂碳纳米片具有高的比表面积并且在碱性,酸性和中性介质中均表现出相当优异的ORR电催化性能。其在酸性和中性条件下仍能表现出出色的ORR催化性能是非常具有重要意义的,因为目前在酸性和中性条件下具有高效性能的非贵金属催化剂较少。除此之外,它有着极好的性能稳定性和甲醇耐受性。磷化铁/N,P掺杂碳纳米片这一复合催化剂在能量转化领域及其相关领域具有良好的应用前景。