金属-空气电池因其高理论能量密度、便携性、响应速度快、转换效率高等优点被视为未来新能源汽车、可穿戴电子设备、智能设备的供电装置。而空气阴极的性能瓶颈是限制金属-空气电池广泛应用的重要原因之一。该性能瓶颈主要源于空气阴极的催化剂材料所导致的反应位点少、催化性能低、稳定性低的问题以及空气阴极结构缺陷导致的传质效率低等因素。现今,商用Pt/C催化剂是常用于金属-空气阴极的氧还原催化剂。虽然Pt/C催化剂具有高的氧还原反应催化活性,但该催化剂稳定性较差且贵金属铂的引入也带来了制备成本高的问题。另外,为了将粉末状的氧还原催化剂涂覆于空气阴极表面上,制备过程中常用到高分子粘结剂,增强了结合强度,却产生了部分孔道堵塞或覆盖活性位点等问题。鉴于此,在降低成本的同时提高空气阴极的催化活性、增多活性位点及加强传质效率等课题一直备受科研工作者们的关注。本文以提高空气阴极性能作为研究重点,介绍了基于生物质制备非贵金属氧还原催化剂的制备方法和化学气象沉积法制备自支撑氧还原催化层的方法,同时对仿生多通道阴极的制备进行了探索性研究,本文的主要研究内容如下:开发了一种成本低、可大规模生产、具有三维多级孔道结构的生物质基非贵金属氧还原催化剂（NCAC-Co）并应用于铝-空气电池中;该方法降低了因贵金属催化剂导致的成本问题以及稳定性问题。NCAC-Co具有多级多孔结构及高比表面积(1877.3 m² g^-1),同时,该催化剂具有优良的氧还原催化性能（起始电位为0.826 V vs.RHE,电子转移系数为3.87）和优异的稳定性。NCAC-Co出色的ORR催化性能可归因于材料本身具有的吡啶氮、石墨氮、钴纳米粒子与多级多孔结构的协同作用。随后,将NCAC-Co应用于铝-空气电池,该催化剂使电池展现出优良的功率密度及长效的放电性能。利用化学气相沉积法将包覆FeCo合金纳米粒子的掺氮碳纳米管原位生长于碳布基底,得到了一种仿鱼鳃的自支撑空气阴极催化层。之后将其应用于柔性锌-空气电池中,该方法克服了高分子粘结剂所带来的覆盖催化剂活性位点及部分催化剂脱落等问题。该仿生自支撑空气阴极具有以下优点:（1）该催化剂具有优异的氧还原反应催化活性,其氧还原起始电位为0.870 V,半波电势为0.780 V,电子转移系数为3.89;（2）利用该仿生自支撑氧还原催化层制备的柔性电池具有高功率密度(127.0 mW cm^-2),同时其具有优异的充放电性能。基于木本植物特有的微观多通道结构设计并研究了仿生多通道空气阴极。本文选取不同种类的木本植物样品并对其微观结构进行研究,获得最优的仿生模本并构建三维模型。利用激光烧结3D打印机制备了仿生多通道阴极并将其装配于锌-空气电池中对其性能进行研究。利用仿生多通道阴极的电池相比于装配其它空气阴极的电池展现出更好的性能,其原因在于仿生多通道阴极的气体传质效率高并能提供更多的活性位点。本文研究为多种金属-空气电池的氧还原催化剂及空气阴极开发提供了一种仿生研究的新思路。