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随着当今科技的日新月异和社会的进步,人类对能源的渴求不断扩大。为了解决能源缺乏的问题,许多研究者对可再生能源有了更多关注。然而,可再生能源(如风能、太阳能和潮汐能)因其稳定性和连续性差的缺点,迫切要求我们发展绿色高效的能源转化和存储方法。在最近的几十年里,燃料电池和可充电金属空气电池作为有竞争力的选择被深入研究。用于氧还原和析氧反应的双功能电极在决定燃料电池和可充电金属空气电池的性能方面起着至关重要的作用。但是,由于氧电极反应迟缓的动力学,特别是在氧还原方面,这些装置的功率密度和能量效率受到了严重制约。近来,通过用NaCl微晶作模板,一些具有良好孔径结构设计的分级多孔碳材料被成功地制备。在快速冷冻下形成NaCl微晶,由于其环境友好、易被水去除和可以通过重结晶循环的特点,被认为是制备多孔碳材料极便捷的模板。本文利用NaCl辅助模板法,二次煅烧合成了蜂窝状的分级多孔碳材料,同时对其电化学性能进行了深入的研究。一方面,通过改变不同有机前驱体、过渡金属盐和煅烧温度等条件,筛选出最佳的氧还原催化剂。另一方面,通过对FeN-HPC-900(M)和FeN-HPC GDx进行全面的物理表征和电化学测试,以探索不同条件对催化剂形貌结构、物质组成的影响,从而合理解释催化剂材料的电化学性能。最后,将最佳的氧还原催化剂应用到锌空气电池,来评价其实际充放电性能与循环稳定性。总的来说,以葡萄糖和双氰胺的混合物作为有机前驱体,掺以少量氯化铁,合成的具有三维蜂窝结构的FeN共掺杂分级多孔碳材料(FeN-HPC GD2)拥有最佳的氧还原性能。实验证明了葡萄糖引入到双氰胺中,催化剂的碳化产率明显提高。由于具有丰富的大孔-介孔-微孔结构,快速的电子传导性和有极高百分含量(93.7%)石墨氮和吡啶氮的高比表面积(618.2 m2 g-1),FeN-HPC GD2表现出优异的氧还原活性,具体表现在有更高的半波电位(0.888 Vvs.0.863 V)和动力学电流密度(23.2 mA cm-2 vs.3.2 mA cm-2@0.85 V)甚至超过商业Pt/C。用FeN-HPC GD2组装的简单锌空气电池,在344 mA cm-2的高电流密度下,表现出241 mW cm-2的最大功率密度。除此之外,将FeN共掺杂分级多孔碳材料(FeN-HPCGD2)与NiFe氢氧化物纳米片(NiFe-LDH)耦合作为双功能电极,其可充电锌空气电池在充放电循环中表现出极小的电位差(0.61～0.64 V),并具有极高的电压效率(66.7～68.6%)。更重要地是,该电池具有良好的稳定性,放电电压1000次循环后仍然高达1.3 V。甚至在5000个充放电循环的超长寿命测试中,FeN-HPC GD2&NiFe-LDH电池的放电电压仅衰降到1.19 V;充放电电压差为0.79 V,电压效率仍有60.1%,远优于之前报道的锌空气电池。本工作为构建高效电催化剂和高性能可充电锌空气电池提供了一种十分有前景的方法。