随着化石能源的日益枯竭和环境污染的加重,金属空气电池、燃料电池等清洁能量存储和转化技术受到越来越多的关注。然而,电极表面缓慢的动力学严重限制了能源转换设备的工作效率。对此,贵金属催化剂常用来加快反应进行。但是,贵金属催化剂不仅价格昂贵且稳定性较差,这就增加了电化学能源系统的成本,限制了其商业化应用。因而,发展非贵金属催化剂对于降低这些能源转换设备的使用成本非常关键。到目前为止,非贵金属催化剂的活性仍然达不到人们的需求。因此,发展高性能、低成本的非贵金属催化剂具有非常重要的实际意义。基于此,本论文致力于碳基过渡金属复合材料的合成和调控,研究材料性质与催化活性之间的关系,开发高性能、低成本的非贵金属氧催化剂。一、通过简单热解Co盐、C源和N源合成Co、N共掺杂碳材料催化剂的制备策略很容易引起Co元素聚集而使得催化活性降低。本工作利用苯并咪唑为Co的稳定剂,提高了Co的分散性,成功制备了二维氮掺杂碳包裹尺寸小的Co纳米颗粒的电催化剂（Co@NC）。苯并咪唑中的N与Co配位,改善了Co在氮掺杂碳中的分散性。作为对比,不加入苯并咪唑合成出的样品（Co@NCNTs）表现为碳纳米管结构,钴颗粒尺寸明显偏大。较小的Co颗粒在高温难热解过程中快速催化石墨碳的形成,使得石墨碳将Co颗粒完全包裹,从而避免生成碳纳米管的形貌。二维薄层氮掺杂碳包覆小尺寸Co纳米颗粒的特殊结构,不仅使得Co@NC具有更大的比表面积,也为其提供了大量的Co-Nx活性位点。在0.1 MKOH溶液中,Co@NC催化剂不仅氧还原半波电位高出商业Pt/C 34 mV,而且稳定性和抗甲醇性能也优于Pt/C。在实际应用中,Co@NC基锌空气电池在放电能力和稳定性上都要好于Pt/C基电池。二、Fe-Nx是活性很高的氧还原反应活性位点,而FeNi3纳米颗粒具有很强的氧析出反应催化活性。本工作将Fe-Ni层状双氢氧化物和g-C3N4的混合物进行高温热解,得到包裹Fe和FeNi3纳米颗粒碳纳米管Fe/FeNi3@NC催化剂。Fe/FeNi3@NC催化剂不仅具有较多的高ORR活性的Fe-Nx位点,还具有OER催化活性强的FeNi3纳米颗粒。在0.1 MKOH电解质溶液中,Fe/FeNi3@NC催化剂氧还原反应的半波电位达到0.83 V,与Pt/C催化剂（0.84 V）相接近。而且Fe/FeNi3@NC催化剂氧析出反应的电流密度为10 mA cm-2时,对应的电位为1.58 V,两者的电位差仅有750 mV。