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氧还原反应（ORR）是燃料电池和金属空气电池等能量转换装置的重要反应之一。然而,ORR反应过程非常复杂、反应动力学缓慢,因此需要大量的催化剂来提升其反应效率和反应速率。目前,在燃料电池和金属空气电池等能量转换装置中大量使用的ORR催化剂是贵金属铂（Pt）基催化剂。但受限于Pt价格高昂和易受一氧化碳毒化等问题,制约了上述能源转换转置的广泛应用。因此,迫切需要研究开发高活性、高稳定性且价格低廉的非贵金属基催化剂来替代贵金属催化剂。本文设计并制备了一系列基于非贵金属钴（Co）基的ORR催化剂,并通过物理表征、电化学性能表征、锌空气电池测试等,对催化剂的微观结构、元素价态组成、电催化活性及催化机理等进行了深入研究。论文主要研究结果如下:首先,通过原位静电纺丝和等离子刻蚀技术相结合的方法制备了用于锌空气电池（ZAB）的自支撑无粘合剂多孔碳纳米纤维（CNF）负载N-Co共掺杂（N-Co/CNF）阴极材料。所制备的N-Co/CNF呈现均匀多层CNF结构,而且在等离子刻蚀处理后成功对Co实现了N掺杂形成新CoN化合物。通过多种物理化学表征手段分析了所制备电极材料的结构和电化学活性,发现N-Co/CNF表现出优异的ORR催化活性,其起始电势和半波电势分别为0.995和0.853 V（vs.RHE）,这与20%Pt/C（JM）的催化活性相当。当N-Co/CNF直接用于ZAB的空气阴极电极时,所组装的ZAB的峰值功率密度高达229 mW cm-2,比容量为659.6 mAh gZn-1,远高于20%Pt/C（JM）作为空气阴极催化剂组装的ZAB。N-Co/CNF优异的电催化活性和电池性能主要得益于自支撑多孔结构、等离子刻蚀诱导形成的N掺杂以及生成的更多缺陷和活性位。其次,结合一步热解法和等离子刻蚀技术合成了一种金银花状碳纳米管包覆核壳钴纳米粒子（Co@NCNT）ORR催化剂。通过物理化学表征手段发现,Co@NCNT展示出均匀的核壳金银花状纳米结构,并表现出与20%Pt/C（JM）相当的ORR性能。Co@NCNT的起始电势和半波电势为1.030 V和0.872 V（vs.RHE）,经过5000次循环加速老化测试后,其半波电位仅衰减了9 mV。此外,将Co@NCNT作为ZAB的空气阴极催化剂组装成ZAB后,其表现出优异的峰值功率密度(162.5 mW cm-2),良好倍率循环能力和出色的耐久性。Co@NCNT的优异ORR性能及电池性能主要归因于其独特的核壳纳米结构、更多的缺陷和活性位点以及等离子刻蚀在碳壳中产生的微小裂痕的协同效应。最后,通过程序热解结合等离子刻蚀技术制备了N掺杂碳纳米管包裹的Co2Ni1合金纳米粒子（Co2Ni1@NCNT）氧电催化剂。物理化学表征测试结果证实,Co2Ni1@NCNT表现出独特的空间限制纳米结构,并且在等离子体刻蚀之后会诱发更多的缺陷和N掺杂。得益于独特的空间限域结构、碳和金属中的N掺杂以及碳层表面上的更多缺陷,所制备的Co2Ni1@NCNT具有出色的双功能氧反应（ORR和OER）催化活性。对于ORR,Co2Ni1@NCNT的半波电位高达0.866 V（vs.RHE）;对于OER,在10 mA cm-2的电流密度下其过电势仅为349 mV。此外,当使用Co2Ni1@NCNT作为阴极催化剂时,自组装的ZAB的峰值功率密度高达171 mW cm-2,并展示良好的充放电性能。