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燃料电池和金属-空气电池具有高的能量密度,清洁无污染等优点,成为解决目前能源环境问题的首选方案之一。然而,其能量转化效率严重受到了氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)和氧析出反应(oxygen evolution reaction,OER)的限制。目前最高效的商业氧电催化剂主要是贵金属铂,钌,铱等贵金属催化剂,其资源匮乏,高成本,稳定性差,严重制约了大规模的商业化应用。因此发展廉价,高效,稳定的非贵金属氧电催化剂对燃料电池和金属-空气电池的广泛应用至关重要。本论文的工作主要以非贵金属碳基催化剂为研究对象,通过双金属(Zeolitic imidazolate frameworks,ZIF)与氧化石墨烯,静电纺丝PAN纳米纤维结合构建了几种不同结构和组成的纳米复合材料前驱体,调节控制前躯体的组成和碳化过程,构建了几种双过渡金属和异质原子共掺杂的碳基电催化剂,运用多种技术手段对前驱体以及碳化得到的催化剂进行了结构和物相的表征,并考察了不同催化剂的电化学性能。本论文主要研究工作如下:1、通过溶剂热表面原位生长法制备了三明治结构Fe-Co-ZIF/GO纳米复合材料前驱体,经过高温碳化处理与酸刻蚀过程得到了表面多孔,双金属(Fe,Co)和N元素共掺杂的rGO纳米片,并对其ORR性能进行了研究。通过调节前驱体中Fe/Co的摩尔比例,金属/配体的质量比例,以及加入GO的质量,研究发现在Fe/Co摩尔比为0.4,金属/配体质量比例为1:1,加入50 mg GO的时候得到的催化剂具有较高的ORR催化活性,良好的循环稳定性和甲醇耐受性。2、首次,以静电纺丝MIM/PAN复合纳米纤维为基体材料,通过表面原位生长的方法,构建了 Zn-Co-ZIF/PAN核壳结构纳米纤维前驱体,高温碳化处理后形成了碳包覆双金属元素(Zn,Co)纳米粒子与N元素掺杂共修饰的核壳结构碳纳米纤维,并对其ORR性能进行了研究,得到了进一步提高的ORR催化性能,良好的循环稳定性和甲醇耐受性。3、进一步,以Zn/Co-ZIF纳米粒子为内部掺杂剂和自牺牲模板,利用简单的混合静电纺丝法制备了 Zn/Co-ZIF/PAN复合纳米纤维前驱体,通过高温碳化处理制备了一种新颖的,柔性,多级孔结构,双金属(Zn,Co)纳米粒子与N元素共掺杂的碳纳米纤维材料,并对不同ZIF负载量和不同碳化温度下的碳纳米纤维形貌,结构进行了系统研究,对其ORR性能和在锌-空气电池中的表现进行了研究。研究结果显示当ZIF的负载量为200 wt%,碳化温度为800℃的时候,得到的催化剂具有甚至超过20 wt%Pt/C催化剂的催化性能,良好的循环稳定性和耐甲醇能力,并且在锌-空气单电池中也表现出了优异的性能。4、以上一章中制备的Zn/Co-ZIF/PAN复合纳米纤维为前驱体,在传统的高温碳化过程中引入活性H2S气体,实现了一步碳化/硫化法制备了过渡金属硫化物纳米粒子与N,S共掺杂的多孔碳纳米纤维,并对其ORR和OER催化性能进行了研究,结果显示Zn/Co-ZIF/PAN在800℃碳化/硫化得到的催化剂具有与商业20 wt%Pt/C和RuO2催化剂相近的ORR和OER双功能催化特性。这种一步碳化/硫化法实现了从金属单质到硫化物的快速物相转化和同步硫掺杂,为制备高性能催化剂提供了一种新的思路。