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锌-空气电池因能量密度高、环保、成本低、安全性高等优点成为极具竞争力的电源。但其正极上放电时的氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）过程动力学缓慢,限制了应用。常用的Pt基催化剂成本高,需开发高效且廉价的非贵金属ORR催化剂。多级孔结构对功率密度和比能量等电池性能非常重要,因为传质过程需要优化的孔径分布,大孔保证快速传质,微孔提高材料的利用率。因此,合理调节孔径分布对能源存储与转化设备具有重要意义。氮掺杂石墨烯气凝胶（nitrogen-doped graphene aerogel,NGA）拥有多级孔结构和大比表面,可实现传质和反应效率最大化。双金属合金比其单金属催化剂具有更优异的ORR活性,不同金属的协同作用可以促进催化反应。NGA可与具有高ORR催化活性的镍钴（NiCo）合金纳米晶复合,以N位点锚定NiCo合金纳米晶。不仅可以提高内在活性,而且得益于纳米晶的支撑,可维持多级孔结构和大比表面。在此过程中,无需复杂的模板和添加剂,仅改变金属含量,有望通过合金纳米晶大小和数量调控优化共组装体的孔径分布,提高ORR催化速率。本文因此构建了不同金属含量的NiCo合金纳米晶@NGA（NiCo alloy nanocrystals@nitrogen-doped graphene aerogel,NiCo@NGA）共组装体,分别在保持金属配比的情况下调节合金中NiCo金属总量和保持金属总量的情况下调节Ni/Co配比,优化共组装体的孔径分布,优化共组装体的电子结构和对O2及反应中间体的吸附,对比研究共组装体的组成、形貌结构与ORR动力学电流密度等性能及锌-空气电池功率密度等性能的关系。为深入理解ORR过程中的主要活性位点,进行了原位XRD与原位拉曼光谱表征,提出了可能的反应机理。第三章以氧化石墨烯（grapheneoxide,GO）为前驱体,多巴胺（dopamine,DA）为N源和交联剂,通过水热法及随后的热处理,将NiCo合金纳米晶均匀负载于NGA上,制备了 NiCo@NGA共组装体。随制备过程中金属盐添加量的增多,所形成的纳米晶直径逐渐由20 nm增加到50 nm,且合金数量不断增多。NGA和NiCo合金纳米晶协同作用,其中NiCo@NGA 5最优,包括:（1）孔径分布得到优化,微孔和介孔数量增加,促进电化学过程中反应物（如H2O和O2）的传输,传质和反应速率加快;（2）NiCo合金提高共组装体的导电性,有利于快速电子转移;（3）NGA中N的掺杂降低了 O2的吸附能;（4）NiCo合金和NGA皆具ORR活性,为ORR过程提供了丰富的活性位点;（5）NiCo合金与NGA间的化学键合,有利于维持多级孔结构,提高结构和性能稳定性。因此,NiCo@NGA 5的起始电位（Eonset）为0.97 V,半波电位（E1/2）为0.80 V,极限扩散电流密度（jd）为5.90 mA cm-2,接近商业Pt/C。Tafel斜率（53 mV dec-1）和长期稳定性（50000 s测试后电流保留率为90.8%）优于Pt/C（55 mV dec-1和67.8%）及其他金属含量的NiCo@NGA。原位XRD中NiCo合金衍射峰的强度发生变化,证明合金是ORR过程的主要活性位点。原位电化学拉曼光谱中348、384和730 cm-1处的特征峰分别对应NiⅡ-OH、CoⅡ-OH和OOH中间体,通过监测其强度变化提出了可能的反应机理。以NiCo@NGA 5为空气正极的锌-空气电池具有功率密度高（149.5 mW cm-2）、倍率性能好（相同电流密度更高的放电电压）、比容量高（804.6 mAh gzn-1）、比能量高（995.3 Wh kgzn-1）以及长期稳定性好（多达800次充放电循环）等特点。第四章通过一锅法制备了电子结构优化、比表面大、多级孔分布优化的NixCoy@NGA共组装体。Ni和Co的适当配比以及合金与NGA之间的强相互作用,使NiCo合金表现出适当的结合能并赋予共组装体良好导电性。其中Ni1Co3@NGA的串联电阻Rs和电荷转移电阻Rct分别为1.9和1.6Ω。Ni1Co3@NGA催化ORR的Eonset为0.99 V,E1/2 为 0.81 V,jd为6.22 mA cm-2,接近 Pt/C（0.98 V、0.82 V 和 6.41 mA cm-2）,且Tafel斜率为50 mV dec-1,50000 s稳定性测试后电流保留率为91.2%,优于Pt/C。以其为空气正极组装的液相锌-空气电池功率密度为161.2mW cm-2,比容量为806.1 mAhgZn-1,比能量为1023.6 Wh kgZn-1。经过1000次充放电循环,电压间隙无明显变化,优于正极为Pt/C+IrO2和已报道过渡金属/石墨烯复合材料的液相锌-空气电池。用于固态锌-空气电池,Ni1Co3@NGA同样具有优于Pt/C+IrO2的电池性能,证明其在便携式电子设备中应用的可行性。本工作为过渡金属/碳基ORR催化剂的结构设计提供了新思路,为锌-空气电池等能源储存与转化设备提供了实验指导。