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电化学氧还原反应（ORR）是众多能量转换系统如燃料电池和金属空气电池中的核心反应,低成本、高活性和高稳定性的ORR催化剂对清洁能源体系的大规模应用具有决定性作用。非金属催化剂因其独特的优势,一直是研究的热点之一。氮掺杂碳纳米材料（CNx）由于其丰富的储量,优异的抗毒化性和稳定性,在无金属ORR催化剂领域引起了广泛关注。本文分别选用沸石咪唑骨架（Zeolitic imidazolate framework-8,ZIF-8）和石墨炔（graphdiyne,GDY）两种各具优势的材料作为前驱体,通过调控碳基体的拓扑结构,设计构筑了氮掺杂纳米碳材料作为高活性的非金属碳基ORR催化剂。ZIF-8衍生氮掺杂碳材料,通过修饰孔道内含有氮化碳的纳米介孔二氧化硅球,以2-甲基咪唑和六水合硝酸锌为原料,使其上生长ZIF-8,经过高温烧结并刻蚀掉二氧化硅制备得到。建立了石墨氮受控地原位转换的方法,成功地设计构筑了具有高ORR活性的单空位缺陷耦合的吡啶N（monovacancy coupled pyridinic N,MV-c-PN）活性位点。通过X射线光电子能谱（XPS）和13C固态核磁共振（ssNMR）的实验结果以及电子结合能的理论计算相结合,揭示了复杂的ZIF-8衍生三维碳纳米结构中MV-c-PN活性位点的存在。含有MV-c-PN活性位点的分级多孔碳（hierarchical porous carbon,HPC）催化剂HPC（MV-c-PN）在碱性溶液中显示出优异的ORR活性,0.80 V下的动力学电流高达19.11mA·cm-2,半波电位0.855 V,电化学性能超过绝大多数报道的无金属催化剂。由HPC（MV-c-PN）催化剂组装的锌-空气电池的最大功率密度为80.1 mW·cm-2,甚至比Pt/C高40.3%。HPC（MV-c-PN）催化剂优异的ORR活性主要归因于MV-c-PN位点的本征高活性,在0.80 V下MV-c-PN活性位点的转换频率（turnover frequency,TOF）是普通的位于碳骨架边缘位置的吡啶N（conventional PN）位点的7.26倍。吡啶N与拓扑单空位缺陷耦合,协同调节MV-c-PN位点的电荷密度,改变ORR途径,有效地提高了ORR的反应动力学。通过对CNx活性位点进行精密调控,设计出高活性的氮掺杂位点,突出了在氮掺杂碳基催化剂中调控与氮相关的活性位点的重要性,为开发具有突出ORR活性的碳基无金属ORR催化剂提供了有效的设计思路和构筑策略。石墨炔衍生氮掺杂碳材料,采用传统的偶联反应,在吡啶溶液中利用溶出的铜离子,催化不同比例的二乙炔基苯和三乙炔基苯聚合成碳网络制备得到,整个过程避光进行。收集反应产物,与双氰胺固相混合后烧结,得到不同比例单体共聚的氮掺杂石墨炔。设计构筑了新型的二乙炔基苯和三乙炔基苯共聚的氮掺杂石墨炔衍生氮掺杂碳纳米结构ORR催化剂。通过多种物理表征和电化学测试,讨论分析了不同比例单体对石墨炔衍生氮掺杂碳基催化剂的物理性质和ORR性能的影响,发现单体比例不同,石墨炔催化剂的缺陷水平和吡啶氮含量也不同,两者共同作用,一起影响催化剂的ORR性能。该工作通过讨论不同比例单体对石墨炔物理性质及电化学活性的影响,为进一步开发新型的石墨炔衍生氮掺杂碳基ORR催化剂提供了有效的设计思路和构筑策略。