氧还原反应（ORR）作为影响燃料电池和金属空气电池能源转换效率的关键半反应,需要使用高负载量的铂碳（Pt/C）等贵金属基催化剂来降低反应所需的过电位,但Pt/C价格高昂,并且对CH3OH和CO的耐受性较差,因此急需研发成本低、活性高、稳定好的非贵金属催化剂。近年来,氮掺杂碳负载过渡金属催化剂被认为具有取代Pt/C的潜力。活性位点的密度和利用率是影响催化剂活性的关键因素。碳纳米管（CNTs）拥有良好的导电性,其独特的中空结构可作为物质传递的快速通道,能有效提高活性位点的利用率。本论文以氮掺杂CNTs负载过渡金属催化剂为研究对象,从催化剂的电子结构和几何结构调控出发以制备高催化活性的ORR催化剂:通过异质元素S掺杂、Co-Zn合金化等,调节催化剂的电子结构,增加催化剂的活性位点密度;通过减小CNTs和金属颗粒的尺寸、提升孔密度、增大比表面积等,优化催化剂的几何结构,提高催化剂中活性位点的利用率。主要的研究内容与结论包括:（1）氮、硫共掺杂CNTs负载铁纳米颗粒催化剂的合成和氧还原性能。以均匀混合的三聚氰胺和硫酸亚铁作为催化剂前驱体,在700℃、800℃、900℃、1000℃下利用一步热解法原位制备Fe SNC催化剂。研究发现S以S-Ox和C-S-C等具有潜在ORR活性的结构成功掺杂到了碳基体中,制备出的CNTs的管径随着热解温度升高呈现出增大趋势。在所选热解温度中,900℃下制备出的催化剂（Fe SNC-900）具有最佳ORR活性,在0.1 M KOH中半波电位(E1/2)为0.816 V（vs.RHE）,对其进行酸处理后,E1/2提升为0.839 V。酸处理过程除去了不稳定的金属,使得催化剂的孔密度和比表面积得到了有效提升,从而优化了催化剂的活性。（2）两步热解法调控Fe SNC催化剂中CNTs的管径、优化ORR性能。设计了一种简单的两步热解法,合成氮、硫共掺杂小管径CNTs负载铁纳米颗粒催化剂。首先将三聚氰胺和硫酸亚铁混合物在700℃下热解获得小管径的CNTs,接着酸洗除去大部分铁纳米颗粒,最后在900℃下再进行二次碳化提升CNTs的结晶度。研究表明该方法能有效控制合成了CNTs的管径并显著提升其比表面积和硫含量。由于催化剂的高比表面积、三维的碳管结构以及S功能团与Fe-Nx位点之间的协同效应,催化剂在0.1 M KOH中表现出优异4e-选择性的ORR活性,E1/2为0.854 V,优于商业Pt/C。（3）气泡状氮掺杂CNTs负载Co Zn合金纳米颗粒催化剂的合成和氧还原性能。在700℃下热解硝酸钴、硝酸锌和三聚氰胺混合物合成不同Co/Zn摩尔比的Co2-xZnx-N/C催化剂（x=2、1.5、1、0.5、0）。研究发现:Zn会在催化剂表面与C、N和O形成无活性或活性低的氰化物和氧化物;当x=1时,合成的Co1Zn1-N/C形貌为气泡状碳球串联形成的独特CNTs结构,其独特形貌与CoxZny合金纳米颗粒的形成有着重要关系;在Co1Zn1-N/C催化剂表面拥有很高的氮含量（12.32%）且以吡啶氮为主。酸处理后的Co1Zn1-N/C催化剂在0.1 M KOH中的E1/2为0.801 V,环盘电极测试表明其具有以4e-催化路径为主的优异ORR活性。