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随着人类社会的不断发展,对于能量的需求不断地增大。虽然化石燃料为整个人类社会提供了约85.7%的能源,但化石燃料的储量有限且不可再生,而且其在燃烧过程中产生的CO2,氮的氧化物,硫的氧化物和粉尘污染了整个大气环境,对人类的身体健康造成了威胁。虽然锂离子电池现在已经被广泛的应用于生活中,但其较低的能量密度限制了它进一步应用。因此寻找一种更加绿色环保且能量密度高的能量储存与转换装置成为了各国的研究热点。金属空气电池作为一种具有超高能量密度的能量储存装置而被广泛的研究。然而,金属空气电池催化电极上复杂的电极反应造成了较高的过电势和差的可逆性,这严重限制了其应用。具有良好的氧还原反应(ORR)与氧析出反应(OER)催化性能的贵金属材料已经被应用于金属空气电池,但其昂贵的价格和差的稳定性限制了贵金属催化剂的进一步应用。因此合成一种具有良好ORR/OER催化活性,且具有良好稳定性的催化剂成为了当下研究金属空气电池的重点。最近,金属有机骨架化合物(MOFs)尤其是沸石咪唑酯骨架(ZIFs)衍生来的材料,由于具有均匀的杂原子掺杂和过渡金属的负载,因此展现出良好的OER/ORR双功能催化活性。MOFs衍生物被证明在金属空气电池上有潜在的应用前景。在本文中,使用常见的2-甲基咪唑作为有机配体,使用Co(NO3)2和Zn(NO3)2作为金属盐合成了一系列ZIFs。然后将其进行改性后获得了具有良好ORR/OER催化性能的复合材料,并在金属空气电池上进行了应用,表现出良好的性能。主要成果如下:(1)为了解决MOFs衍生物导电性较差的问题,引入了导电性良好的石墨烯进行改性。实验中利用水热法,直接将锌钴双金属ZIFs(Co/Zn-ZIFs)与石墨烯进行复合得到了负载有Co/Zn-ZIFs的石墨烯(Co/Zn-ZIFs@rGO),将其在惰性气氛下热解后到了负载有钴颗粒的氮掺杂石墨烯(S-Co/N-rGO)。由于锌元素的在高温下的升华,在抑制了Co元素聚集的同时也提高了材料的比表面积。含氮的有机配体也对材料进行了氮的掺杂。因此基于S-Co/N-rGO为正极的锂空气电池在以电流密度为200 mA g-1下可以稳定运行125圈。同时将电流密度提升到500 mA g-1下可以提供～4000 mAh g-1的比容量。最后通过对充放电产物进行红外测试,证明了基于S-Co/N-rGO的锂空气电池具有良好的可逆性。总之S-Co/N-rGO在锂空气电池上展现出良好的电化学性能。(2)虽然S-Co/N-rGO在锂空气电池中表现出较好的性能,但由于锂负极易氧化且容易产生枝晶,电解质也容易发生分解,因而目前来看该电池体系难以实际应用。因此将研究的重点放在更为安全、稳定的水系锌空气电池上。在上一个工作的基础上对合成方法进行了改良,并将所合成的材料应用在锌空气电池上。在实验中,将负载有核壳双金属ZIFs(ZIF-67@ZIF-8)的石墨烯与三聚氰胺在惰性气氛中一同热解,获得了包覆Co纳米颗粒的碳纳米管所修饰的氮掺杂石墨烯片层(Co/Co4N@N-CNTs/rGO)。三聚氰胺在高温下放出的还原性气体会使得Co离子被还原成金属Co。这使得石墨烯在金属Co颗粒的催化下长出大量的碳纳米管。同时金属钴颗粒会被包封在碳纳米管的顶端,这不仅能够提高材料的导电性,也可以抑制Co颗粒在催化过程中发生的聚集,提高了材料的催化稳定性。除此以外,含氮的有机配体还可以对整个材料进行氮掺杂,提高材料的ORR催化性能。最重要的是,Zn元素的存在可以抑制高温下Co的聚集,提高Co催化位点的活性。因此Co/Co4N@N-CNTs/rGO能够提供与Pt/C相媲美的ORR半波电位和极限电流密度,而且也能展现出优于Pt/C的稳定性与甲醇耐受性。而另一方面,Co/Co4N@N-CNTs/rGO也展现出与商业化RuO2相类似的OER催化性能。基于Co/Co4N@N-CNTs/rGO的锌空气电池,在5 mAcm-2的电流密度下能提供783 mAh gzn-1的较高比容量。在相同的电流密度下,能稳定的循环440h并保持小于0.8 V的充放电过电势。此外,还设计了基于Co/Co4N@N-CNTs/rGO的柔性锌空气电池,并展现了出色的机械柔韧性和良好的电化学性能。(3)虽然Co/Co4N@N-CNTs/rGO在锌空气电池上展现出良好的性能。但Co/Co4N@N-CNTs/rGO的OER性能并不十分理想,因此在本工作中,引入具有良好OER催化活性的Ru来进行改性。通过直接热解锌钴双金属ZIFs(Zn/Co-ZIFs),以得到负载有钴颗粒的氮掺杂碳纳米笼(Co/HP-NC)。然后进行Ru的负载,得到了负载有Ru、Co金属颗粒的氮掺杂碳纳米笼(Ru@Co/HP-NC)。受益于Zn在高温下的升华,不仅使得材料的比表面积得到了提高,而且也抑制了 Co在高温下的聚集。另一方面,金属Ru的负载也大大提高了材料的OER催化性能。因此该材料能够提供约0.81 V的ORR半波电位和6.44 mA cm-2的极限电流密度,这与Pt/C催化剂相类似。且在催化的稳定性与甲醇的耐受性上优于Pt/C。而在另一方面,Ru@Co/HP-NC也展现出优于贵金属RuO2的OER催化活性。将Ru@Co/HP-NC作为正极组装成锌空气电池,其峰值功率密度为240 mW cm-2。并且在5 mA cm-2的电流密度下可以稳定的运行超过170 h,而且能在11次的机械充放电后依然保持稳定的放电电压。而基于Ru@Co/HP-NC的柔性电池在弯曲后表现出良好的性能。