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为了应对当前能源需求和生态环境问题,发展可再生能源和新型储能系统已经成为各国解决能源危机、实现节能减排的共识。锌空气电池（Zn-air batteries,ZABs）因高能量密度、安全无毒、成本低廉等优点,成为具有发展潜力的新型能源转换与存储系统。然而其放电过程氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）动力学缓慢,严重影响了电池的能量转换效率。贵金属Pt基催化剂虽然具有高催化活性,但资源稀缺、成本高以及稳定性差等问题制约了其大规模使用,因此亟需开发具有高活性,高稳定性和低成本的非贵金属催化剂（NPMCs）。金属有机框架（Metal organic frameworks,MOFs）因其比表面积大、孔道规则可调、易于表面修饰及功能化等特点,为构建NPMCs提供有吸引力的平台。但是,MOFs在高温碳化过程中容易发生结构坍塌,造成可及位点显著降低,同时不能有效进行物质转移和电解质扩散,因此ORR性能不佳。基于此,本论文从设计高性能ZAB阴极ORR催化剂出发,采用沸石咪唑骨架材料（ZIF-8）作为碳前驱体,借助金属配位、复合、表面修饰等方法对其进行改性,通过自催化效应合成系列ZIF-8衍生Fe/Co掺杂多孔碳交联碳纳米管（Carbon nanotubes,CNTs）。基于对材料的组成调控和结构设计,考察其形貌尺寸、化学组分和电子结构对ORR性能的影响,分析结构与性能之间的构效关系,为筛选高性能ZIF-8衍生CNTs催化剂提供理论判据。此外,将制备的阴极催化材料集成到液态、柔性全固态ZAB中测试其电化学性能。具体研究结果如下:（1）以ZIF-8和氧化石墨烯（GO）复合材料为碳前驱体,采用空间限域策略锚定金属盐乙酰丙酮钴,通过简便的一锅合成法制备三维碳质多面体交联CNTs催化剂。富含环氧和羟基官能团的GO在与金属配位形成有效活性成分的同时,还可以与ZIF-8复合形成高度石墨化的碳骨架,提高催化剂的电导率。自催化CNTs的原位生成不仅能够防止碳质多面体团聚,暴露出更多有效活性位点（Co-Nx）,而且有利于反应产物的快速传输和电解液渗透。在0.1 M KOH和0.5 M H2SO4测试条件下,Zn/Co-N-C半波电位可高达0.83 V和0.73 V,将其组装到ZAB中显示出较高功率密度(90 m W cm-2)和较长循环寿命（80 h）,该工作为设计高效稳定的MOFs衍生CNTs催化剂提供了可行的方法,表明其替代贵金属基ZABs阴极材料的潜力。（2）除了优化多孔结构和电子导电性,通过提高活性中心数目也可以增强催化剂的催化活性。基于上述工作的研究基础,本章节采用ZIF-8为碳前驱体,借助有机羧酸盐辅助策略制备高密度Fe-Nx活性位点的多孔碳交联CNTs催化剂。铁离子的存在形式包括通过锌离子的直接取代形成的铁咪唑构型,以及通过有机羧酸盐作为连接物与不饱和锌位点的配位,导致热解后生成高密度的Fe-Nx位点。此外,有机羧酸盐中的六原子苯环可以降低CNTs形成过程中的环化能垒,有利于CNTs的生成。具有高导电性的CNTs可以将独立的活性位点连接起来,促进电子转移和物质运输,提高活性位点的利用率。最优样品Fe-BOAc-PNC在碱性介质中表现出较高的ORR活性(Eonset=0.93 V、E1/2=0.84 V、jK=4.90 m A cm-2),优异的稳定性（可稳定循环6000圈）和甲醇耐受性。将Fe-BOAc-PNC作为液态ZAB阴极电催化剂,电池展现出高功率密度(160 m W cm-2)和良好的循环稳定性（220 h）。进一步将其集成到柔性全固态ZAB中,电池显示出94 m W cm-2的峰值功率密度和良好充放电循环性能（55 h）,该工作可对用于液态/柔性ZABs的高活性催化材料的设计提供重要参考价值。（3）由上述工作可知,羧酸盐在提高ORR性能上起到了关键作用,为了进一步提高活性位点的可及性,充分发挥CNTs的传质作用,本章节以ZIF-8为碳前驱体,利用柠檬酸盐辅助策略制备Fe/N共掺杂大直径CNTs催化材料。柠檬酸盐与金属铁离子的强相互作用可以诱导铁盐转化为更大的铁纳米颗粒,在热解过程中由于自催化效应原位生成大直径CNTs。这不仅提高了催化剂的传质能力,而且充分利用了CNTs的内外壁来获得更多可及活性位点。所制备的Fe-（COO-）3-NC在碱性条件下半波电位可达0.83 V,过氧化氢产率在10%以下,电子转移数约为3.90,表明其高效的4电子转移途径。将其作为阴极催化剂组装到液态和柔性全固态ZAB中的峰值功率密度分别高达142 m W cm-2和138 m W cm-2,该工作为设计高暴露活性位点和高电子传输ORR电催化剂提供了有效的途径。综上,本论文以ZIF-8为前驱体,通过自催化效应合成系列具有高暴露活性位点、高电子传输和离子扩散结构的铁/钴掺杂CNTs,系统探究了催化剂形貌尺寸、化学组分、电子结构与ORR性能之间的内在联系和对应关系。进一步将催化剂集成到液态或柔性全固态ZAB上测试电化学性能,获得了高功率密度和良好的循环稳定性,这对合理设计和定向合成MOFs衍生CNTs催化剂以及对电化学能源存储与转换技术的发展具有推动作用。