燃料电池、金属-空气电池作为清洁、高效和安全可靠的新型能源转换器件,表现出环境友好、原料来源丰富、能量密度高和工作时间长等优点。其阴极发生氧还原（ORR）反应,因电子转移和传质过程的影响导致了缓慢的反应动力学,因此高效的阴极催化剂有利于降低反应势垒从而加快电极反应效率。以铂族元素为代表的贵金属由于其出色的电子结构在ORR领域中具有广泛的应用,但仍然面临成本高、原料来源稀缺、易中毒和稳定性差等问题的困扰。近年来,过渡金属单原子催化剂（TM-SACs）由于具有明确的配位结构和高度可控的电子构型等优点,成为最有前途的贵金属催化剂替代品。然而,因其典型的TMNX活性位点构型难以与O2分子间产生理想的吸附强度,充分发挥单原子催化剂的结构优势成为挑战。在双过渡金属单原子催化剂（TM-DACs）中,电负性具有轻微差异的双金属原子间通过直接成键或（近）长程相互作用可对活性位点的电子结构实现更加精准的调控,有效地改善活性位点与反应中间产物间的吸附或解吸强度,并且加速了催化反应中质子与电子间的转移过程。因此,本论文利用具有独特结构优势的金属有机框架（MOF）材料作为前驱体,通过一系列对MOF改性的策略实现了TM-DACs的高效制备,如Zn Co-NC-II和Fe Cu-NC。基于对催化剂微观结构的精准表征,通过电化学测试结合理论计算,我们探讨了双金属原子位点之间的协同催化机制,并建立了催化剂的微观结构与催化活性间的“构效”关系。本论文的研究内容和结论具体如下:（1）通过空腔限域和后吸附策略,在碳载体上成功制备了含有双金属原子位点（Zn N4和Co N4）的催化剂Zn Co-NC-II。实验结合理论计算证明,电负性不同的Zn和Co原子间通过石墨共轭π键发生了电子转移,进而优化了Zn Co-NC-II中金属Co的d带中心。优化后的Co N4活性位点与O2分子间的吸附强度有效地被削弱,加速了*OOH中间产物的形成。基于双金属原子位点之间的电子转移效应,Zn Co-NC-II催化剂显示出与商业Pt/C相媲美的ORR催化活性,在酸性及碱性介质中的半波电位分别为0.79 V和0.86 V。利用Zn Co-NC-II作为阴极催化剂组建成的锌-空气电池具有高的比容量(802.55 mAh gZn-1)和功率密度(161.85m W cm-2),优于商业Pt/C基锌-空气电池。这为优化具有高原子位点密度、高催化活性和高催化选择性的双金属单原子催化剂提供了新的方向。（2）利用置换反应和表面限域策略,以Zn2+作为空间栅栏,在碳载体上成功制备了含有丰富双金属原子位点（Fe N4和Cu N4）的催化剂Fe Cu-NC。实验表征证明了双金属原子的引入有利于在碳载体上形成具有更多的缺陷sp~3杂化结构。通过密度泛函理论（DFT）计算,进一步澄清了双金属原子位点的存在有利于Fe N4活性位点与*OH物种间的电子转移,从而加速了反应速率决定（RDS）步骤的进行。因此,Fe Cu-NC催化剂在0.1 M KOH电解液中的半波电位为0.87 V,超过商业Pt/C 23 m V。我们组建的Fe Cu-NC基锌-空气电池表现出优于商业Pt/C基锌-空气电池的比容量和峰值功率密度,证明其在实际应用中的应用潜力。