不可再生资源化石燃料的过度开采和使用造成了能源匮乏和环境污染两大问题,开发高效、绿色、友好的可持续新能源成为二十一世纪的重大挑战。质子交换膜燃料电池等新型燃料电池效率高、排放低、能量密度高,是一种可持续的先进能源技术。在这些燃料电池中,阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）的动力学性质十分缓慢（比阳极反应慢六个或更多个数量级）,限制了电池的性能,从而影响了它的商业化应用,所以开发高效的ORR催化剂变得尤为重要。目前,贵金属铂及其合金被认为是最好的ORR催化剂。然而,铂有限的储量,昂贵的价格严重影响了燃料电池的商业化应用。另外,铂基催化剂在甲醇耐受性和耐久性方面的表现差强人意。因此,开发低价、高效、稳定性好的氧还原催化剂成为当前研究热点。氮掺杂的碳基过渡金属（Co、Fe等）纳米复合材料在催化氧还原反应中表现出极大的潜力,有望取代Pt/C。金属有机框架化合物（Metal organic frameworks,MOFs）是由金属离子和有机配体自组装构筑起来的一类结晶的多孔材料,与传统的多孔材料相比,这类材料具有构筑单元和组成的多样性等优点,可以通过合理的设计引入不同的官能团和金属中心。构成金属有机骨架化合物的金属元素和有机物可以在一定的条件下转化为金属/金属氧化物和多孔碳。由于MOFs组成的均匀性和纯粹性,得到的金属氧化物和多孔碳具有非常均匀的结构与成分。选择合适的有机前驱物和金属物种得到不同形貌的多孔碳,还可以在合成过程中加入另外的前驱物引入杂原子进一步改进多孔碳的性质。本文主要以金属有机框架化合物为前驱体制备非贵金属复合物的多孔碳电催化剂,并详细研究这些电催化剂在氧还原反应中的应用,主要包括以下几部分:（1）通过高温退火方法以MOFs为前驱体制备了碳化铁（Fe3C）/N掺杂的银耳状多孔MOFs纳米片（NPM）复合材料。实验结果表明:所获得的电催化剂具有活性位点多,比表面积大,石墨化程度高和导电性好等特点,并且氮掺杂进一步提高了其氧还原性能。FE-SEM测试表明,在高温下热解的含有不同量的七水合硫酸亚铁所制备的电催化剂的形貌有所不同,当添加量为0.04 g时形成了特殊的银耳状形貌多孔碳复合物。TEM结果进一步证实NPM-0.04电催化剂呈蓬松银耳状形貌,材料含有纳米薄片和球形纳米颗粒。XPS表征验证了N掺杂类型并且证实了Fe-N2的存在,这也是ORR活性位点之一。此外电催化剂中存在缺陷氧能够促进O2中电子的转移,并确保O2-/OH-的快速交换动力学,从而提高了ORR的电化学性能。BET结果表明该催化剂有高比表面积和丰富的微孔结构,蓬松、多层、互联多通的多孔三维结构有利于电子传输。在碱性体系下旋转圆盘电极（RDE）和旋转环盘电极（RRDE）对其进行ORR性能测试。NPM-0.04电催化剂表现出较好的电化学性能。通过Koutecky-Levich（K-L）方程分析得出反应中电子转移数非常接近4,是理想的的四电子路径过程。使用计时电流法,在0.1 M KOH饱和O2电解液中进行10000 s的测试,NPM-0.04保留了其初始电流值的97%,耐久性优于Pt/C。（2）采用等离子体增强的原子层沉积（PE-ALD）法在MOFs上沉积氧化钴,925℃条件下退火,生成钴基复合纳米材料。实验结果表明该材料以MOFs做基底可以提高电催化剂的电导率,生成的材料衍生出碳纳米管,并将钴纳米粒子封装在其顶端。从XRD数据分析来看,电催化剂中含有钴单质。FE-SEM测试证明MOFs衍生出碳纳米管,提供了较大的比表面积,有助于增强催化剂的催化活性。TEM证实了NPM-200电催化剂表面存在大量的纳米管并且分布均匀,顶端封装有纳米粒子。相应的EDS图像表明钴,碳,氧和氮的均匀存在,而钴元素仅存于碳纳米管顶端。当用作ORR电催化剂时表吸出较好的电化学性能,NPM-200具有最高的反应起始电位与半波电位,根据RDE和RRDE数据分析表明ORR具有理想的四电子路径。使用计时电流法方法对NPM-200电催化剂进行9 h的稳定性测试,它保留了其初始电流值的97.8%,耐久性优于Pt/C。（3）采用PE-ALD技术结合热处理过程从N掺杂的多孔MOFs纳米片（NPM）衍生出纳米管,并对其进行磷化。实验表明NPM-200在磷化过程中产生了Co/Co P物种,从而在具有大比表面积的NPM上形成了碳纳米管包覆的Co/Co P的复合纳米结构。XRD数据证实了不同的磷源的量的添加使电催化剂纳米结构中的组分得到了调控。SEM分析表明不同磷源的量对产物形貌也有很大的影响,高分辨TEM进一步证明了磷化钴纳米颗粒封装在碳纳米管的顶端。XPS测试电催化剂表面元素的组成,表明电催化剂中存在Co,C,N和P元素,通过取代C或O原子的N和P成功掺杂到CNTs的缺陷位点中,NPMCNT-300电催化剂具有丰富的孔隙体积,而微孔的存在大大地增加了比表面积,提供了高密度的活性位点。当用作ORR电催化剂时,NPMCNT-300显示出较好的电化学性能,其反应起始电位为0.924 V,此外,该电催化剂也表现出优异的稳定性。