由于成本低、能量密度高等各种优点,燃料电池、金属空气电池以及氯碱电解槽等设备即将成为下一代电动汽车或者其它许多电气装置的动力来源。作为阴极的氧还原(ORR)反应,在这些电化学能量转换和存储装置中起着关键性的作用。然而,其缓慢的动力学限制了这类装置的效率和性能。铂基催化剂由于其优越的电化学性能成为目前最有效的氧还原电催化剂,但它也存在一些不可避免的问题,比如稀缺性、高成本,甲醇交叉中毒以及长期稳定性差。为了解决这些棘手的问题,大量的研究致力于合理设计和制备低成本的、高性能的替代铂基金属电催化剂的纳米复合物。异质原子(N,B,S,P,I,F等)掺杂的碳材料廉价且丰富,将Fe3C、Co与其复合,同时通过简单的方法改变复合物的形貌特征、调整多孔性,可用于进一步降低成本和提高催化剂的活性。因此,本论文采用不同的自模板方法用来设计和制备各种不同形貌特征的材料并运用于电催化ORR,设计方法巧妙地避开了牺牲模板法需要后续去除模板产生的浪费和繁琐的制备过程,简化了实验步骤,又降低了成本,主要的研究结果总结如下:1、采用g-C3N4作为碳源、氮源以及模板,借助葡萄糖的水热辅助作用将Fe2+组装到g-C3N4上,通过控制合成条件,从而构筑出一种三维多孔结构的类银耳状Fe3C/N-C复合物。制备方法简单,绿色环保。g-C3N4的纳米片层结构框架、小尺寸Fe3C提供的大量活性位点、N元素掺杂以及大的比表面积(1068.9 m2 g-1)的协同效应,使得制得的代表性产物Fe3C/N-C-5具有优良的电催化ORR性能,不管足起始电位(Eonset)还是半波电位(E1/2)都非常与Pt/C接近,并且E1/2只与Pt/C相差15 mV,优异的极限扩散电流为5.88 mA cm-2 at 0.2V vs RHE,高于Pt/C(5.45 mA cm-2 at 0.2V vs RHE)。在循环了2000次之后,Eonset与E1/2也无明显变化,电流密度(J)也能保持在原有基础上的97.89%,表明了 Fe3C/N-C-5复合物催化ORR循环稳定性高,催化的ORR电子转移数(n)在3.87～3.97之间,说明了氧还原反应是以四电子反应进行的。2、选择ZIF-8为自模板,借助其表面吸附作用以及气相沉积聚合策略的辅助作用,构筑了中空多孔Fe3C/N-C纳米复合物。实验结果表明,在碱性条件下,代表性产物Fe3C/N-C-10%具有优良的催化ORR活性,其Eonset,E1/2(只与Pt/C相差19 mV),J(为5.86 mA cm-2 at 0.2V vs RHE,超过了Pt/C的5.46 mA cm-2 at 0.2V vs RHE)都能与商业Pt/C催化剂相媲美。在循环5000次之后,Eonset与E1/2也无明显变化,J也能保持在原有基础上的95.7%,拥有比较低产率的副产物双氧水含量(1.91～7.01),说明在发生电催化过程中是以四电子反应进行的。3、利用ZIF-67与二氰二胺作为原料,发展出一种简单、通用、高产率的研磨法原位衍生出Co@N-CNT。二氰二胺作为丰富的氮源将异质原子N结合到CNT中,从而有效地增强了CNT催化ORR的活性。通过控制条件,合成了不同氮含量以及不同管径的N-CNT。在碱性中,代表性产物Co@N-CNT-20表现了杰出的电催化ORR性能,并且E1/2与Pt/C仅相差25 mV,J为5.62 mA cm-2 at 0.2 V vs RHE,高于Pt/C的5.46 mA cm-2 at 0.2 V vs RHE,在2000次循环之后发现,Eonset与E1/2没有明显变化,J也就只衰减了1.7%,反应过程中n在3.87～3.97之间。我们的策略提供了一种方便且可控的方法来原位制备掺氮的CNT,尤其是含金属的N-CNT。