在2020年蝗灾的发生以及南极血雪的出现都说明环境问题的日益严重,已经威胁到人类的生存安全。造成如此严重地环境问题的一大原因是化石能源的大量使用,以及温室气体的无节制排放。我国近年来一直在探索新型清洁能源用于代替化石能源并改善环境问题。金属空气电池具有启动迅速、环境适应性强、便携高、结构组成简易、运行产物零污染等优点,使其在有良好的竞争力。实际应用中金属空气电池受到关键部件发展的限制,即阴/阳极催化活性限制整体的发展。ORR/OER催化剂的使用能提高金属空气电池阴/阳极的催化效率。但是ORR/OER的高效催化剂大多数为贵金属,贵金属高昂的开采和使用成本也成为阻碍其大规模使用的原因。因此开发具有与贵金属催化剂催化性能相近的新型电催化剂,可以提高金属空气电池性能并降低使用成本。本篇论文制备两种碳基材料负载金属氧化物作为高性能的ORR/OER催化剂,其催化性能与贵金属相似,甚至可以超越贵金属催化剂。通过X-射线光电子能谱(XPS),投射电子显微镜(TEM)等表征手段对两种碳基材料负载金属氧化物催化剂进行结构和组成的表征,在催化性能研究方面,通过线性伏安扫描测试(LSV),旋转环盘电极测试(RRDE)等对碳基材料负载金属氧化物催化剂进行催化性能的测试。本篇论文采用一步高温碳化法,以三聚氰胺为碳来源和氮来源,钴离子作为中心离子制备了竹节状氮掺杂碳纳米管包裹钴金属氧化物(Co/Co Ox@BS-NCNTs),作为在碱性条件下金属空气电池的阳极OER催化剂和阴极ORR催化剂。并探索碳化温度的改变对Co/Co Ox@BS-NCNTs的形貌和性能的影响。经过不同的表征手段和性能测试得出Co/Co Ox@BS-NCNTs-700的竹节状结构最均匀,表面积也是最大的。氮掺杂碳纳米管给予催化剂令人满意的电子捕捉与传输能力,并且管状结构保护内在催化活性位点,防止失活现象的发生。钴离子通过化学表面延伸作用,使其表面逐步生成碳纳米管。碳纳米管特有的中空管状结构为活性物质的运输提供高速通道;氮原子在钴离子的催化作用下,成功的掺杂到碳纳米管骨架中,形成的氮掺杂结构减少吸附和转移电子的活化能;多种价态钴离子的存在,可以在催化过程中快速转化,使整体催化速率达到令人满意的程度。在协同作用下,这些有益于催化性能的结构使Co/Co Ox@BS-NCNTs-700的ORR和OER性能超越贵金属催化剂,同时展现出优良的稳定性。为了提高碳基材料负载金属氧化物作为高效氧还原和氧析出催化剂的研究广度,选择金属有机框架作为唯一的前驱体,采用多步骤合成具有双层保护结构的半金属铋包裹十二面体多孔氮掺杂碳内嵌氧化钴(Co O@DPNC@SMB)作为碱性条件下金属空气电池的ORR和OER催化剂。测试结果显示Co O@DPNC@SMB-1的ORR和OER催化性能都超过了贵金属催化剂,长期运行后电流保留率也大于贵金属催化剂。Co O作为活性中心为高效催化提供可能性;氮掺杂与多孔结构为中间体的捕捉与传递提供高速通道;表面Bi的存在保护内部结构,提高运行稳定性。并且能提高氧空位浓度,提高整体催化反应动力学。通过以上协同效应,最终显示出Co O@DPNC@SMB-1优异的催化活性。开发金属空气电池的双功能催化剂的开发,能提高整体工作效率以及降低使用成本。促进新型清洁能源的发展,为我国能源建设于能源框架的调整提供强有力的支持。