利用电化学能源技术发展新型能源储存和转换装置,包括金属-空气电池和水裂解装置等是目前建立新型可持续能源与转换系统的主要方向之一。然而,这些装置中电化学反应过程复杂,往往要求具有高效的催化剂才能正常进行,虽然目前贵金属（如Pt、RuO₂、IrO₂）基催化剂具有很高的电催化活性,但其成本高昂、资源稀缺,而且面临多功能电催化性能不足等问题,极大地限制了其在电催化领域中的推广和商业化。因此,对于金属-空气电池和水裂解装置的商业应用来说,开发高活性、高性价比和耐用的非贵金属电催化剂,具有十分重要的意义。金属有机骨架（MOFs）作为纳米材料的前驱体,可以为催化剂的制备提供有利的条件,如所需的组成、比表面积以及孔隙率等,近年来得到广泛关注。鉴于此,本论文主要通过设计一系列MOFs作为前驱体,制备出一系列可应用于锌-空气电池或水裂解装置的MOFs衍生碳基材料,并通过多种表征手段,研究了其组成、结构、性能及其构效关系。具体研究内容和成果如下:1、利用混合配体策略合成了一系列腺嘌呤功能化的ZIF-7前驱体,通过在氩气中热解和强酸氧化刻蚀,制备了氮掺杂的多孔纳米碳基材料。研究表明,腺嘌呤的引入能明显影响碳材料的氮掺杂量和孔隙率,当腺嘌呤掺杂量为50%（即NC-50）和30%（即NC-30）时,样品表现出良好的多功能催化活性,同时,以NC-50作为空气阴极组装的锌空气电池也表现出良好的充放电性能。此外,在表征和电化学测试结果的基础上,进一步强调了微孔及其表面官能团的作用,为设计新型材料的结构和组成提供了新策略。2、利用不同Co²⁺源,合成出一系列Co²⁺掺杂的阴离子金属有机骨架,并以之作为前驱体,制备出一系列钴、氮共掺杂的多孔碳基材料。研究结果表明,热解以Co²⁺螯合物作为钴源的前驱体,得到的材料具有独特的形貌,高比表面积以及分布均匀的多种活性位点（Co/Co-N_x/CoO_x）,该材料在碱性溶液中表现出优异的三功能催化活性。在氧还原反应中,该材料的半波电位为0.86 V,优于商业Pt/C催化剂;在析氧反应和析氢反应中,当电流密度为10 mA cm^-2时,该材料的过电位分别为350 mV和209 mV。此外,利用该材料组装的锌-空气电池和水裂解装置,也表现出优异的性能和良好的稳定性。另外,我们还初步地研究了前驱体和热解产物及电催化活性之间的关系,为设计合成高效电催化剂提供了一定的实验和理论基础。3、根据前章结论,以Fe³⁺络合物作为铁源制备出Fe³⁺掺杂的阴离子金属有机骨架,并以之为前驱体,通过调控热解温度,制备出多孔氮掺杂碳纳米管包裹的Fe/Fe₅C₂材料。由于一维碳纳米管的特殊结构,高比表面积以及铁纳米粒子、Fe₅C₂纳米粒子和Fe-N_x多种催化活性位点的协同作用,Fe-Fe₅C₂@CNTs-900表现出优异的ORR和OER双功能催化活性,在碱性溶液中,该材料ORR的半波电位优于商业Pt/C催化剂;在电流密度为10 mA cm^-2时,其OER的过电位为330 mV。利用Fe-Fe₅C₂@CNTs-900作为空气阴极组装的锌-空气电池具有比商业Pt/C催化剂更高的功率密度(137mW cm^-2)和循环稳定性。此外,研究结果表明,热解温度对材料的组成和形貌起着决定作用,从而影响其催化性能。4、利用Fe³⁺掺杂的双咪唑金属有机骨架与氧化石墨烯复合,“一锅法”制备了Fe_0.1-STU/GO-x复合材料,并将其直接用于催化析氧反应研究。结果表明,该材料不仅保留了原始MOFs的多孔性,而且通过MOFs与氧化石墨烯的协同作用,提高了材料的OER活性。电化学测试表明,GO掺杂量为6 wt%时,Fe_0.1-STU/GO-6表现出最优的OER催化活性,在碱性溶液中,当电流密度为10 mA cm^-2时,该材料的OER过电位为374 mV。本工作为设计制备原始MOFs直接用于催化OER提供新的途径。