氧还原反应（ORR）是金属-空气电池和燃料电池的重要反应。阴极ORR反应缓慢,严重依赖铂族贵金属电催化剂。金属-空气电池和燃料电池的大规模商业化受到贵金属催化剂的储量、价格和耐久性的限制。因此开发低成本、高效的非贵金属ORR电催化剂具有重要意义。本论文以过渡金属Fe基非贵金属电催化剂为研究对象,通过优化合成条件来控制电催化剂的形貌、组成,获得优越的电催化活性。探究电催化剂的组成与性能之间的构效关系。我们进一步探究了合成的电催化剂在锌-空气电池中的应用。主要研究内容如下:（1）开发了一种以碳球为模板,气相沉积辅助合成策略制备Fe-Nx活性位点和Fe纳米晶修饰的三维多孔碳材料。揭示了所合成的电催化剂ORR性能增强的原因。结果表明,具有高比表面积和高活性N含量的电催化剂有较强的ORR活性:较大的起始电位、半波电位和较好的稳定性与耐甲醇特性,优于目前的Pt/C电催化剂。（2）通过设计简易、高产的溶胶-凝胶方法来构筑多孔Fe/Fe3C@Fe-Nx-C双功能氧电催化剂。高效氧电催化剂由分散的Fe/Fe3C纳米颗粒和Fe-Nx活性位点组成。揭示了ORR/OER性能增强的机制,探究了ORR/OER双功能电催化剂在锌-空气电池中的应用。结果表明,多孔、高活性位点与Fe/Fe3C纳米颗粒的协同作用使Fe/Fe₃C@Fe-N_x-C电催化剂表现出卓越的ORR与OER催化性能、良好的稳定性和耐甲醇性。以Fe/Fe3C@Fe-Nx-C双功能氧电催化剂为空气阴极构筑的锌-空气电池表现出优异的功率密度、较小的充放电电位差和充放电循环稳定性。（3）我们开发了一种优异的非贵金属双功能氧电催化剂Fe/Fe3C-N-C,该催化剂是由高密度Fe-Nx活性位点、丰富的Fe/Fe3C纳米粒子和富含吡啶N的碳纳米管（CNT）制成的。这种特殊的结构有效的避免了Fe/Fe3C纳米颗粒在酸、碱性介质中的腐蚀以及纳米颗粒的团聚。利用高温碳化形成的具有管状结构的双功能的氧电催化剂具有高密度的活性位点与良好的导电性。揭示了ORR/OER性能增强的机制,探究了ORR/OER双功能电催化剂在锌-空气电池中的应用。结果表明,在Fe/Fe3C纳米颗粒、高活性位点Fe-Nx的协同作用下,电催化剂表现出良好的ORR与OER催化活性。以管状Fe/Fe3C-N-C高效双功能氧电催化剂为空气阴极组装的锌-空气电池表现出良好的功率密度和充放电循环稳定性。