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能源是经济发展高度依赖的重要资源。目前,化石能源在能源消费中仍然占据主导地位,能源短缺和环境污染等问题日益严重。为打破过度依赖化石能源的局面,以及谋求人类社会的可持续发展,必须加速新型清洁能源以及先进能源装置的开发与应用。其中,燃料电池和锌空气电池（ZABs）具有能量利用率高,清洁低污染等优势,被视为有前景的能源储存与转化设备。氧还原反应（ORR）是燃料电池设备和锌空气电池装置的核心反应,但迟缓的反应动力学严重限制了这些清洁设备的效率。目前商业化应用的ORR催化剂是铂基催化剂,铂基催化剂在ORR过程中表现出出色了催化效率,但铂储量稀缺,成本昂贵,这限制了燃料电池系统的广泛应用。因此,开发价格低廉、高催化活性并且耐用的非贵金属电催化剂是燃料电池和锌空气电池大规模商业化的关键。本论文以设计并制备高效、耐用且低成本的碳基非贵金属电催化剂为目标,开发了一系列复合材料。重点利用尺寸效应、合金效应和核壳结构等策略,研究了复合催化剂的结构组成以及催化性能,并探讨提升非贵金属催化剂催化活性及稳定性的方法,主要研究内容如下:（1）共价有机聚合物衍生氧还原催化剂Fe3O4/CCOPHM-F127的制备及性能研究。通过在乙酸条件下聚合八水合环己六酮（C6O6·8H2O）和三聚氰胺（C3H6N6）,开发了一种新型的高氮含量的二维共价有机聚合物(命名为COPHM)。通过热解COPHM与Fe盐及表面活性剂F127的混合物,制备了以Fe3O4为活性位点的ORR催化剂Fe3O4/CCOPHM-F127。TEM图像证明,在表面活性剂F127存在的情况下,热解后的催化剂中的Fe3O4纳米颗粒显示出了更小的颗粒尺寸。借助阴离子表面活性剂F127制备得到的COPHM衍生物催化剂Fe3O4/CCOPHM-F127,在电催化氧还原方面表现出优异的性能,半波电位为0.87 V（vs.RHE）,优于Pt/C。此外,Fe3O4/CCOPHM-F127在测试过程中展现了出色的稳定性和甲醇耐受性。本工作合成了新颖的富氮共价有机聚合物(COPHM),研究了表面活性剂F127在防止金属颗粒团聚以及提升颗粒分布均匀性上的作用。这项工作为优化非贵金属电催化剂的结构与活性提供了简便且高效的策略。（2）共价有机聚合物衍生的高性能双功能氧催化剂Fe Ni@NC的制备与性能研究。基于此前对共价有机聚合物(COPHM)的研究,再次利用八水合环己六酮（C6O6·8H2O）与蜜勒胺(C6H10N10)聚合,制备了一种新型的高氮含量的共价有机聚合物(命名为COPHM-2)。在表面活性剂F127存在的情况下,引入Fe盐与Ni盐,进一步热解制备了负载Fe Ni合金的分级多孔碳复合材料（Fe Ni@NC）,其中Fe Ni合金被数层石墨碳包覆。由于Fe Ni@NC中大量的Fe Ni纳米颗粒以及碳壳包覆Fe Ni合金颗粒的结构,Fe Ni@NC催化剂在碱性条件下对ORR和OER都表现出了优异的活性和耐久性。以Fe Ni@NC催化剂作为空气电极的锌空气电池,表现出高于Pt/C+Ru O2的放电功率密度,还具有出色的充放电性能和较高的长期稳定性。这些结果证明了Fe Ni@NC是优异的双功能电催化剂,并且可用于可充电锌空气电池的实际应用。（3）双MOFs策略用于合成双功能氧催化剂Fe Co@NC。采用双MOFs（Metal-Organic Frameworks）策略,通过热解两种MOFs（Zn Co-ZIF与MIL-101（Fe））的混合物,合成了双功能氧催化剂Fe Co@NC,结构为多孔碳负载Fe Co合金。其中Zn Co-ZIF充当结构支撑并提供钴/氮源,基于铁的MIL-101提供铁源。在热解过程中,Zn Co-ZIF中的Zn金属蒸发有利于多孔通道的形成和Fe Co合金在碳载体中的暴露,因此,合成的Fe Co@NC催化剂对ORR和OER都表现出良好的催化活性。以Fe Co@NC作为空气电极的锌空气电池显示出139.6 m W cm-2的最大功率密度和出色的循环寿命。Fe Co@NC在碱性介质中表现出优异的双功能特性和稳定性,主要归因于产生的Fe0.26Co0.74晶相以及双MOF合成策略导致的更小的颗粒尺寸和分级孔结构。（4）Fe掺杂提升碳基氮化铬催化剂在酸性条件下氧还原性能。以ZIF衍生碳为基底,制备了一系列负载Cr N以及Cr2O3纳米颗粒的ORR催化剂材料,并且采取了Fe掺杂的方式提升催化剂的氧还原催化活性。一系列表征证明了Fe已经成功掺杂到了Cr N以及Cr2O3的晶格中。性能测试的结果证明Fe掺杂可以显著提高碳负载的Cr N以及Cr2O3材料的催化性能。其中Fe-Cr N@NC在酸性溶液中表现出优秀的催化活性,半波电位为0.742 V（vs.RHE）。此外,Fe-Cr N@NC还表现出超过商业Pt/C的优异稳定性和甲醇耐受性。在实际的质子交换膜燃料电池（PEMFC）测试中,Fe-Cr N@NC催化剂也显示出了优异的性能,最高功率密度达到了708 m W cm-2。研究结果揭示了Cr基ORR催化剂材料和Fe掺杂的策略的重要应用价值。