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质子交换膜燃料电池和金属-空气电池等能源转化装置,由于其理论能量密度高、转换效率高、污染物排放低等特点成为传统能源的重要补充及替代设备。但是,这类电化学能源转化装置阴极氧气还原反应动力学过程缓慢,制约了电池的整体效率。因此,研究并且提高氧气在电极表面还原反应速率受到普遍关注。贵金属Pt及钌的氧化物如Ru O2是催化氧电极反应中普遍使用的电催化剂。然而,这些催化剂储量少、成本高、耐久性差,阻碍了燃料电池及金属空气电池的商业化应用。因此,研究开发高性价比的非贵金属催化剂是极其重要的。过渡金属钴具有未填满的3d轨道,对氧气分子具有较强的吸附能力,有利于还原过程O-O键的断裂。同时,钴在地球上储量丰富,使用成本较低,是贵金属催化剂的重要替代品。受到MOFs结构的启发以及绿色化学理念的推进,在本论文中,我们以生物质材料如葡萄糖和尿素为前驱体,基于脱水葡萄糖生成的羰基与尿素中氨基之间的席夫碱反应,构建氮掺杂的碳质骨架。此外,碳骨架中丰富的含氧和氮基团可与钴离子配位,形成具有均匀分散组成物的前驱体。在此基础上,通过调控碳源与氮源比例,获得了两种钴基复合催化剂:多孔碳负载四氧化钴颗粒（Co3O4/NPC）和碳纳米管插层碳包覆钴颗粒（Co@NC-CNTs）复合催化剂。另外,还系统研究了合成过程中的反应温度、试剂用量以及热解温度和时间,揭示了这些电催化剂的形成机理。通过以上研究,本论文获得以下创新成果:1、以葡萄糖和尿素为前驱体,通过水热-煅烧法原位合成了氮掺杂多孔碳负载四氧化三钴颗粒（Co3O4/NPC）作为氧电极双功能催化剂。得益于葡萄糖中丰富的含氧官能团,使该催化剂能够在800℃下成功制备。此外,由于尿素衍生的聚合物分解温度较低,使制备的催化剂呈现出分级多孔结构,加速反应物及产物的扩散,暴露了充足的活性位点,提高了反应动力学。此外,原位合成法制备的催化剂增强了Co3O4与NPC的相互作用,促进吸附氧电子转移能力,提高氧电极反应活性。因此,Co3O4/NPC在碱性电解液中表现出较高的ORR和OER催化活性。复合催化剂催化氧气还原反应的半波电位为0.82 V（vs.RHE）,而催化氧析出反应过电位为390 m V@10 m A cm-2,两种反应之间的电位差为0.8 V,远低于Ru O2（0.96 V）和Pt/C（0.94 V）。2、催化剂组成以及结构影响活性位点数量,从而影响催化活性。本文分别研究了阴离子种类和氨水加入量对碳载体以及Co3O4纳米粒子分散度的影响。对阴离子类型的研究表明,由于不同阴离子对钴离子络合能力不同,醋酸钴作为钴盐制备的复合催化剂结构明显不同于硝酸钴、氯化钴以及硫酸钴为钴源制备的催化剂。以其为钴源得到的催化剂中明显团聚的四氧化三钴纳米粒子分布于碳层表面。针对这一现象,以醋酸钴为钴源,通过加入氨水调控其形貌。发现随着氨水加入量增加,Co3O4纳米粒子在碳载体中分布逐渐均匀,粒子尺寸逐渐减小。当氨水加入量为2 m L时,粒径尺寸减小到21.1 nm,同时载体中介孔以及大孔比例明显增加。化学状态分析表明,此时催化剂中吡啶氮以及石墨氮含量和四氧化三钴中氧空位浓度最高,因而该催化剂表现出最优的氧还原活性,其半波电位为0.83 V（vs.RHE）。3、降低葡萄糖加入量,分别以尿素、二氰二胺以及三聚氰胺为氮源,采用两步热解法制备了碳纳米管插层碳包覆钴纳米颗粒（Co@NC-CNTs）复合催化剂。由于氮源受热形成类石墨相氮化碳的中间物,其高氮含量促使所得到的Co@NC-CNTs含氮量高达7at.%左右。此外,由前驱体原位生长的碳纳米管构建了具有三维结构的电催化剂,为反应物与活性位点的充分接触和传质提供了高表面积和大量孔隙。因此,所得到的电催化剂表现出了优越的催化性能,其半波电位为0.85 V（vs.RHE）,与Pt/C相当。