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金属燃料电池（金属-空气电池）是一类具有高比能量的绿色化学电源,其空气电极的氧还原反应（ORR）催化剂对电池性能有着十分重要的影响。本论文通过密度泛函理论（DFT）计算,针对过渡金属元素Mn、Fe等,设计并筛选出了具有优异ORR催化活性的过渡金属-氮-碳（M-N-C）单原子活性位点,同时研究了N/C配位环境对金属中心d带电子结构的调控机制及其与催化活性的关联。针对优化设计的Fe-N8活性位结构,采用本课题组开发的有机分子裁剪-自组装-重构气相沉积（TSRVD）技术,在单层石墨烯基材上合成出了高效且稳定的纳米线催化剂。采用SEM、TEM、XRD、FTIR、Raman及XPS等表征手段对催化剂的形貌及结构进行了分析。采用LSV、CV、Tafel、EIS及计时电流等电化学测试方法对催化剂的电催化活性及稳定性进行了研究。建立了多种嵌入碳六元环结构的Mn/Fe-N-C多配位单原子活性位点模型,对其电子结构及ORR活性进行了DFT计算。结果表明,ORR活性与OH吸附自由能（）之间存在火山图关系,其中五配位活性位（Cyan）Mn-N4/D位于火山关系顶部附近,其理论平衡电位为0.90V（vs.SHE）,较之Pt（111）晶面（0.89V vs.SHE）更高。八配位活性位Fe-N8的理论平衡电位为0.88V（vs.SHE）,与Pt十分接近。电子结构计算表明,过渡金属d带能级随配位结构变化,且相比平面二维结构,立体三维配位结构更有利于调控过渡金属d带结构,进而调控其ORR活性。采用化学气相沉积（CVD）技术,以电沉积铜箔为基材,合成出了高质量的单层石墨烯薄膜。研究表明,随铜箔电沉积电流密度及厚度的增加、反应物CH4:H2流速比的降低,石墨烯薄膜的晶格缺陷及层数同时减少。CVD沉积时间的延长会增加石墨烯薄膜的层数但不影响其晶格缺陷。延长铜箔退火时间能显著降低石墨烯薄膜的层数,但对其晶格缺陷的影响较小。针对优化设计的Fe-N8单原子活性位点,采用TSRVD工艺,以酞菁铁（Fe Pc）为前躯体,单层石墨烯薄膜为基材,在450℃条件下合成出了具有三维纳米线结构的ORR催化剂。结果表明,Fe Pc分子在TSRVD过程中经历了分子裁剪、自组装及重构的过程,最终形成可能具有Fe-N8活性位的单晶结构。该纳米线催化剂在碱性氧饱和溶液中的ORR起始电位与商业Pt/C催化剂一致（0.93V vs.RHE）,在0.85V（vs.RHE）电位下的ORR电流密度达到3.9 m A·cm-2,显著高于商业Pt/C催化剂(3.05 m A·cm-2)。在0.85V（vs.RHE）电位下放电10000s后,所合成催化剂的ORR电流密度仅降低6%,显著低于商业Pt/C催化剂（约20%）。此外,电化学分析证明所合成催化剂的ORR为高效的4电子转移过程。