研究开发低成本、高活性、高稳定性的非Pt基氧还原催化剂是燃料电池、金属-空气电池等电化学能量存储与转换器件实现商业化应用的关键。碳纳米管因其独特的一维管状结构、高比表面积、高化学稳定性、优异的电学和机械性能，而在电催化氧还原方面具有很好的应用前景。本论文以开发高性能碳纳米管基氧还原催化剂为目标，利用碳纳米管优异的结构和性能特征，结合异质原子掺杂、孔结构、维度和导电性调控等，设计、制备新型碳纳米管基电催化材料，并研究其氧还原反应催化性能与催化机理。取得的主要结果包括:　　1、设计、制备出Fe-N掺杂介孔碳包覆碳纳米管。在氧化硅纳米球上担载Fe催化剂并生长碳纳米管，随后经苯胺聚合包覆、高温热处理及氧化硅纳米球去除等过程，制备得到了Fe-N掺杂介孔碳包覆碳纳米管。该材料具有高催化活性的Fe-Nx位点、丰富的介孔和碳纳米管导电网络，因而在碱性条件下表现出比商业Pt/C催化剂更优的催化性能（半波电位高出26 mV）。　　2、阳极氧化铝(AAO)模板法Fe-N掺杂层次介孔/微孔碳纳米管。依次在AAO模板的纳米孔腔内填充Fe(NO3)3、沉积C/N，并进行酸洗及NH3活化，获得了Fe-N掺杂层次多孔碳纳米管材料。该材料具有高催化活性的Fe-Nx位点、丰富的层次介孔/微孔结构、超高的比表面积(2137 m2 g-1)以及高导电性碳纳米管骨架，因而在酸性和碱性条件下均表现出优异的氧还原反应催化性能。　　3、原子隔离法制备高浓度Fe-N掺杂多孔碳纳米管。以Zn为隔离原子，防止Fe原子在高温下迁移、团聚，并促进N螯合的单原子Fe(Fe-Nx)催化活性位点的形成;与此同时，隔离原子挥发后产生丰富的孔，使Fe-Nx充分暴露于电解液中并参与催化反应。利用该方法，制备出以高导电性的碳纳米管为内“核”和高浓度Fe-N掺杂多孔碳为外“壳”的Fe-N掺杂多孔碳纳米管。该材料在酸性条件下的氧还原反应半波电位比标准负载量的Pt/C催化剂高20 mV。此外，利用这种原子隔离法制备了柔性的Fe-N掺杂多孔碳布和Fe-N掺杂多孔单壁碳纳米管薄膜，其表现出更优的氧还原反应催化性能，起始电位比Pt/C催化剂高40～60 mV。　　4、N-S-P三元掺杂碳纳米管气凝胶的制备与性能。结合有机合成、冷冻-干燥和高温热解过程，制备出N-S-P三元掺杂碳纳米管气凝胶。该材料具有三维碳纳米管导电网络、高比表面积和可控N-S-P掺杂，在碱性条件下的半波电位比标准Pt/C催化剂高20 mV，在酸性条件下的半波电位仅比标准Pt/C催化剂低60 mV。以N-S-P三元掺杂碳纳米管作为阴极氧还原催化剂组装了锌-空气电池，其开路电压为1.53 V，在电流密度为1 mA cm-2下恒流放电电压为1.38 V。此外，研究发现吡啶型N可能是氧还原反应催化活性的主要贡献者;S和P掺杂会诱导产生更多的缺陷及活性N（吡啶型N）。　　5、三维柔性多孔N掺杂碳微米管海绵双功能电催化剂。以廉价的生物质化妆棉为原材料，通过简单的一步高温热解制备出三维柔性多孔N掺杂碳微米管海绵。该材料具有独特的由单层或少数层石墨烯相互交联而成的多孔管壁和微米级的中空碳微米管腔，在氧析出反应电流密度为10 mA cm-2时对应的电位为1.51 V，比Ir/C催化剂低100 mV;在氧还原反应电流密度为3 mA cm-2时对应的电位为0.89 V，比Pt/C催化剂高60 mV。以上结果表明该三维多孔N掺杂碳微米管海绵可作为氧析出和氧还原反应的双功能催化剂，可望在可充放金属-空气电池中获得应用。