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化石能源的过度消耗和二氧化碳的大量排放引发了严重的能源危机和环境问题,这使人们开发新能源的愿望越来越迫切。燃料电池一直被认为是高效率低污染的理想能源装置,可以为电动汽车提供足够的续航能力。锌-空气、锂-二氧化碳等电池因其开放的能量来源和高的能量密度,也受到了科研人员的广泛关注。但是这些电池与燃料电池的工作效率往往受制于电极反应的缓慢动力学过程,需要大量的贵金属来提高反应速率,这严重阻碍了其大规模商业化的进程。因此,开发廉价的非贵金属催化剂来提升燃料电池（氧还原）、锌-空气电池（氧还原/析出）、锂-二氧化碳电池（二氧化碳还原/生成）的电极反应效率成为研究热点。碳基材料具有稳定性高、价格低廉、结构易于调控等特点,是催化反应的热门材料。将金属位点引入碳基材料,将会进一步提高碳基材料的活性。基于此,本文设计了一系列具有结构导向性的可控制备策略,合成出数种不同功能的非贵金属/碳基复合材料为上述能源装置的发展提供新的思路:1.开发出一种在惰性气氛、较低热处理温度下原位催化制备类铂催化剂（碳化钨）的新方法。以碳源、钨源、铁盐、结构导向剂为前驱体,经过溶剂挥发诱导自组装（EISA）,热聚合以及热处理过程,可得到负载于有序介孔碳之上的钨铁碳化物（Fe-W-C）。不同于传统的碳热还原（1000 oC以上）和氢还原制备WC的方法,本文利用铁盐的原位催化作用,在750 oC即可合成出WC。通过碱性介质中氧还原反应（ORR）极化曲线的测试可以发现Fe-W-C催化剂具有良好的ORR催化活性,其极化曲线的半波电位(E1/2)与商业20 wt%Pt/C催化剂相差100 m V以内,这相比纯的WC材料有了较大的提升。类似地,用钴盐代替铁盐,并且引入氮源,可得到另一种掺氮有序介孔碳负载WC、Co的复合材料（Co-W-C/N）,其ORR活性相比Fe-W-C有了进一步提升,E1/2值与Pt/C的差距缩小至47 m V。2.利用锌离子和氰基配体的桥接作用,通过简易的沉淀反应制备出一种球形的新型普鲁士蓝类似物（Zn3[Fe（CN）6]2）,可以作为Fe@N-C型催化剂的前驱体。热处理活化时,Zn在高温下的挥发有利于形成多孔结构并促进活性物质铁/铁碳化物的分散,从而极大地提升了ORR催化活性。热处理之后得到的Fe@N-C型催化剂由富含氮元素的多孔碳及被其包覆的Fe/Fe5C2组成（Fe/Fe5C2@N-C）。丰富的氮元素掺杂以及特殊的核壳结构赋予Fe/Fe5C2@N-C优异的催化活性和稳定性。在碱性电解质中测试得到的极化曲线显示,Fe/Fe5C2@N-C的ORR半波电位值高达0.85 V（vs.RHE）,转移电子数接近4,这些特征参数都堪比商业20 wt%的Pt/C。值得注意的是,经过5000个电位循环之后,Fe/Fe5C2@N-C仍然保持类似于初始状态的极化曲线。基于Fe/Fe5C2@N-C的高活性和高稳定性,将其作为一次锌-空气电池的正极催化剂时,该电池具有较高的功率密度和比容量。3.设计了一种通过含钴的类普鲁士蓝（Co3[Co（CN）6]2）的热解快速制备氮掺杂碳纳米管的方法,并对得到的Co@N-CNT型催化剂的活性位点进行了深入的探讨。这种竹节状的碳纳米管富含钴和氮两种元素,其中钴纳米颗粒被包裹在掺氮碳纳米管的端口处。碱性电解质中得到的电化学数据表明,Co@N-CNT具有同时促进氧还原（ORR）和氧析出反应（OER）的双功能催化活性。其ORR极化曲线的E1/2值为0.85 V（vs.RHE）,优于商业20 wt%Pt/C;OER极化曲线中10 m A cm-2电流密度下的过电位为479 m V,与Ru O2电极的475 m V相似。利用电化学清洗的方法,可以除去碳纳米管内部的钴颗粒,进而通过对照实验证明了钴颗粒在催化反应中的重要性。结合X射线吸收光谱测试和第一性原理计算可以发现,Co@N-CNT的催化中心在碳纳米管壁上,但是碳纳米管内部的Co颗粒也具有重要的作用。钴颗粒对ORR具有一定的促进作用,而对OER有着决定性的影响。用Co@N-CNT为空气正极的催化材料时,可充电的锌-空气电池具有优于商业Pt/C-Ru O2的功率密度和循环稳定性。4.在有关氧的催化研究的基础上,将电催化研究扩大到二氧化碳利用的领域。本文设计了两种杂化类型的碳纳米管作为正极材料助力锂-二氧化碳电池实现高容量,长寿命。在普通扣式电池中,含Co、N的碳纳米管（Co-N-CNTs）作为正极时的电池性能高于商业的碳纳米管,其容量高达6300 m Ah g-1,并且可稳定循环92次。此外,引入聚合物凝胶电解质并提出了一种准固态锂-二氧化碳电池的概念,其容量和寿命相比扣式的液态电池有了大幅度的提升。以高活性的氮硫共掺杂的碳纳米管（N,S-doped CNTs）为正极催化材料时,该准固态电池可以释放出23560 m Ah g-1的超高容量。在放电过程中,凝胶电解质有利于形成小尺寸的碳酸锂,可以减小电极的极化,这使该电池能循环充放电538次,总的运行时间长达110天以上。得益于这种精心设计的电池体系,该准固态二氧化碳电池作为可穿戴的器件,表现出优异的机械柔韧性。