由于全球能源消耗的不断增长和传统自然资源的日渐耗竭,人们对可持续能源转换和储存设备的需求不断提高。目前,各种能源设备如燃料电池、空气电池、太阳能电池和超级电容器等已经使用的越来越多。在这些电化学设备当中,质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和锌-空气（Zn-air）电池可以直接将化学能转换成电能,且对环境友好。然而,不管是PEMFCs还是Zn-air电池,其缓慢的电化学动力学氧还原过程阻碍了其进一步发展。铂基材料一直被视为最活跃的氧还原催化剂,但其高昂的成本和易中毒的特性影响了其大规模应用。此外,在实际应用中,铂基复合材料通常会出现颗粒溶解,催化剂中毒等现象,这些都会大大降低其稳定性。本论文在总结前辈们在ORR电催化剂研究成果的基础上,制备了一些非贵金属ORR催化剂,并对其结构性能等做了研究,总结如下:1.Co和Co₃O₄修饰石墨烯气凝胶电催化剂的可控合成及其在氧还原中的应用研究由于Pt成本高、有毒、稳定性差,这对于氧还原催化剂的实际发展是个致命问题。本工作中,我们借助抗坏血酸的锚定作用,在水热条件下使钴离子有效地固定在三维石墨烯表面。在氩气和氢气条件下高温退火后形成了碳包覆的钴纳米颗粒,并均匀负载在三维石墨烯表面。通过TEM电镜可以看到钴颗粒表面包了很薄的几层碳。薄碳的存在可以增强催化剂的稳定性,降低溶液腐蚀,5000圈循环测试后,催化剂性能并没有明显的衰减。在ORR反应中,该催化剂的电子转移数为3.81³.94,这一数据也表明该ORR反应为4电子过程。紧接着,在第一个工作的基础上,我们首次利用柯肯达尔效应构筑了空心Co₃O₄修饰的石墨烯气凝胶。由于其多孔和高比表面积的特点,空心Co₃O₄修饰的石墨烯气凝胶表现出了优异的氧还原性能和四电子还原路径,并具有良好的抗甲醇能力和稳定性。2.Fe₂N@C嵌入类石墨烯碳材料的合成及其高效氧还原性能探究在该工作中,我们报道了一种新颖的软模板法合成Fe₂N修饰在氮掺杂的类石墨烯碳材料表面（Fe₂N/NC）。Fe-N_x基团和NC基团能够扮演不同的角色,协同加强复合物催化剂的性能。有趣的是制备的Fe₂N颗粒表面包覆了几层碳,这种碳包覆氮化物的结构能够促进Fe-N-C催化活性中心的形成。电化学数据表明,相比于Pt/C,Fe₂N@NC展现了优异的催化性能（包括更正的起峰电位和半波电位）。此外,制备的催化剂进一步作为空气催化剂运用于锌空气电池,Fe₂N@NC催化剂也表现出了更正的开路电压和与Pt/C相近的功率密度。这些结果表明,在实际应用中Fe₂N@NC催化剂有望替代Pt/C。3.Co/N/S修饰多孔碳材料的设计合成及其在氧还原方向的应用研究在最后一个工作中,我们用半胱氨酸、三聚氰胺、钴盐等原料控制合成了Co/N/S共修饰的类石墨烯碳材料,通过酸腐蚀后进一步改善了该催化剂的半波电位和极限电流密度。根据对文献的调研和实验数据的分析,我们认为内核金属钴并没有直接参与到反应当中,也不是其真正的活性中心。而是在形成Co@NSC催化剂时,一些钴原子扩散到外层碳壳里面与掺杂在碳里面的氮、硫和碳成键构成Co-N-C或Co-S-C等活性中心。进一步组装成锌空气电池后,酸腐蚀后的催化剂也表现出了非常好的开路电压、功率密度和稳定性。