由于结构和化学组成的多样性，过渡金属-碳纳米复合材料在能源存储和转换等领域具有广阔的应用前景。简单便捷的合成方法、低廉的成本、结构的高活性和稳定性使得过渡金属-碳纳米复合材料在燃料电池阴极氧还原电催化中实现了广泛的应用。本论文设计构筑了结构新颖的过渡金属-碳纳米复合材料，探索了它们的结构、组分等性质与催化性能之间的关系，并实现了复合材料在直接甲醇燃料电池中的催化应用。研究内容主要包括以下部分:　　1.利用简便的软模板方法，我们合成了纳米结构、共价结合的的钴铁双金属硫化物/氮掺杂介孔碳复合材料(Co0.5Fe0.5S@N-MC)。结果表明，复合材料在碱性溶液中表现出极止的半波电位(0.808 V)和高的极限扩散电流密度，具有优越的ORR电催化活性。XAS，XPS和XRD等表征手段证实了复合物材料的结构特点和催化活性之间的关系。铁元素在双金属硫化物中的取代和均匀分布有利于含氧物质的吸附和活化，因此双金属复合物的催化活性相比于单金属复合物显著提高。同时，双金属硫化物和介孔碳之间紧密的共价结合为电子传递和物质运输提供了便利的途径，也赋予了复合材料优越的电催化稳定性。本章工作为设计新型多孔碳负载的单金属或双金属硫化物电催化纳米材料提供了新的思路。　　2.提高非贵金属氧还原反应电催化剂的催化活性对于燃料电池的商业化应用具有十分重要的意义。然而控制催化剂的结构均匀性以及活性位点的最大化仍然存在挑战，这使得研究者们无法正确了解催化剂催化活性和结构之间的关系。在本章工作中，受到DNA分子和过渡金属纳米自组装的启发，我们利用高含氮量的腺嘌呤分子作为前体，合成了Co(Ⅱ)-N4配位构型的超均匀的腺嘌呤-钴纳米球(Co-A NSs)。直接在氩气中高温热解纳米复合球，我们得到了单分散，多孔，石墨化以及具有高密度、均匀分布的Co-N活性位点的类似于红毛丹形貌的Co-N/C纳米材料。这些结构特征赋予了Co-N/C纳米材料在酸性和碱性条件下高效的氧还原电催化活性。利用Co-N/C材料作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂，50 wt％PtRu/C作为阳极催化剂，PAEK膜作为电解质膜，组装的燃料电池表现出极高的开路电位(0.80 V)和最大功率密度(40.1 mW cm-2)，并成功地作为电源点亮LED灯笼。另外，Co-N/C材料均匀可控的结构特点使得我们能够利用XAS和XPS等测试手段进一步揭示它们的结构和活性之间的关系，也为设计新型高效的非贵金属电催化剂提供了新的思路。