人类社会飞速发展,对能源的需求也与日俱增。为了克服能源短缺和环境污染,开发性能优越的储能系统迫在眉睫。金属空气电池由于其优异的比容量和低成本而广泛被人们所关注。如今,金属空气电池[1]中的锌空气电池被人们研究的最多。锌空气不仅比能密度高而且几乎无自放电且运行时十分安全。锌空气电池的性能取决于电催化剂的品质。商业上用于锌空气电池催化剂的一般都是贵金属类材料,例如商业贵金属催化剂Pt和Ir O2[2]。这些材料虽然具有高活性和稳定性,但是储量稀少且价格昂贵[3]。近年来,如铁、钴、铜、镍等的过渡金属[4]类催化剂成为了研究的热点。其中,基于这类材料的单原子催化剂由于其出色的原子利用率而被人广泛关注。虽然单原子催化剂保证了金属与载体最大程度的接触[5],有利于金属与载体间的协同催化,但单原子催化剂面临着传质不好、碳腐蚀和低密度活性位点等难题。因此,实现单原子活性最大化是研究重点[6]。本论文制备了一系列的高效氧还原催化剂,通过将金属锚定到不同的载体上来实现催化剂的活性[7]最大化;并通过增大比表面积的方法来使活性位点暴露[8],从而提升材料的电催化活性。使用多种仪器表征样品的微观结构,分析催化剂的组成,证明催化剂的成功制备。通过电化学测试证明氧还原催化剂的高活性和良好的稳定性,并将其应用于锌空气电池。结合机理分析揭示性能提升的机制,探究催化剂性能与结构尺度之间的内在关系。（1）使用聚合物法制备了Fe3C@Fe-N-C催化剂[9]。通过在碳球前驱体聚合物的合成过程中加入铁源,成功制备了Fe3C@Fe-N-C催化剂。利用X射线衍射技术（XRD）,电镜测试（SEM、TEM、HRTEM等）,X射线能谱测试（XPS）等表征证明碳球所含的组成元素和晶体结构;使用旋转圆盘电极（RDE）,旋转圆盘环盘电极（RRDE）测试催化剂的电化学性能,结果得出催化剂展现出优异的电催化活性,其半波电位达0.87 V比商业贵金属催化剂Pt/C高出将近300m V。使用循环伏安法测试经过60 K圈半波电位仅衰减30 m V。应用到锌空气电池中的开路电位高达1.52 V,比Pt/C的高400 m V。比容量高达906 m Ah g-1,功率密度为125 m W cm-2证明了催化剂的高活性。结合其晶体结构分析得Fe3C对于保护催化剂活性及稳定性的作用。（2）本章通过硅凝胶模板法制备双金属的单原子催化剂。首先使用原位凝胶法制备了Cu-Co-N-C双单原子催化剂,使用XRD分析证明催化剂中并无金属颗粒的特征衍射峰。电镜测试结果（SEM、TEM、HRTEM）等也说明所制备催化剂富含微孔且无大颗粒集聚。BET测试表明使用硅凝胶法制备的催化剂拥有较大的比表面积,使用旋转圆盘电极（RDE）,旋转圆盘环盘电极（RRDE）测试分析其电催化性能证明双单原子催化剂有着优异的ORR活性,半波电位高达0.87 V,高于商业贵金属催化剂Pt/C（0.84 V）。相较于Pt/C,催化剂的抗甲醇性能也更优异。将其应用到锌空气电池,双金属单原子催化剂的比容量高达936 m Ah g-1,功率密度为155 m W cm-2,并且双金属单原子催化剂在恒电流为5m A的充放电循环高达740 h。平均循环效率达63%。本章根据双金属单原子优异的催化活性,深度探究双金属单原子之间的协同作用,及微孔介孔是否能够提高活性位点的利用率。（3）在前两章的实验基础上,以二茂铁作为主体,再将吡咯聚合到化合物表面,保护二茂铁在高温热解时不会团聚。并将氮掺杂到结构中进一步优化Fe单原子的配位环境。经XRD,SEM等技术表征分析,这一方案成功制备了高负载量的Fe-N-C单原子催化剂。经过电化学测试,其半波电位高达0.88 V要远高于Pt/C的0.84 V。应用到锌空气电池中,开路电位为1.47 V与Pt/C相当。功率密度为125 m W cm-2。本章探究制备单原子催化剂时,加入吡咯含量与金属含量何时达到最优比,研究在引入杂原子之后对金属单原子配位环境产生的影响。