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氧电极反应普遍存在于多种重要的电化学能源转化或存储装置中,例如:电解水,燃料电池,金属-空气电池等。氧电极反应包括氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）与氧析出反应（oxygen evolution reaction,OER）,为了加快氧电极缓慢的动力学过程,经常需要用到电催化剂。目前,使用最广泛,催化活性最好的ORR和OER催化剂分别为贵金属Pt和IrO2/RuO2,但由于其价格昂贵和稳定性欠佳,限制了燃料电池的商业化应用。为了缓解这一现状,一方面继续发展有效手段提高Pt的催化活性和稳定性;另一方面,研究制备高活性,高稳定性的非贵金属催化剂,从根本上消除由于催化剂成本过高对燃料电池等电池体系发展所带来的困扰。针对上述问题,本论文设计制备了具有高活性,高稳定性的载Pt贵金属电催化剂以及FeNi基和Co基非贵金属电催化剂,并对其反应机理、构效关系等进行了研究探索。采用具有良好电化学稳定性的NbO2作为催化剂载体,对其进行N掺杂改性后和碳一同作为载体,制备Pt/N-NbO2/C复合催化剂,研究了N和NbO2对Pt电催化行为的影响。研究发现N原子的掺入使N-NbO2与碳载体混合更加均匀,同时由于N对Pt的锚定作用,使Pt在载体上的分散也更加均匀。XPS测试表明NbO2和N对Pt颗粒表面的电子结构有一定的调控作用,使Pt 4f峰向正向移动,进而使Pt的d带中心正移,可提高Pt对OHads的排斥能力,加速OHads的解离速率从而提高其ORR活性。相对于ORR来说,OER的测试电位更高,Pt颗粒表面很容易被氧化成PtO2,使OER活性降低,但N-NbO2的加入可以抑制高电位下Pt的氧化,提高其OER活性。同时,N-NbO2较高的耐电化学腐蚀能力及N原子对Pt的锚定作用,可以有效缓解由于载体遭受破坏所引起的Pt脱落和团聚问题,使Pt/N-NbO2/C催化剂具有较高的电催化稳定性。设计构筑三维多孔FeNi3-LDH/Fe-N-CNFs复合催化剂,在合成FeNi3-LDH的过程中通过添加改性处理的Fe、N共掺杂的碳纤维（Fe-N-CNFs）,实现二维结构（FeNi3-LDH）催化剂向三维结构（FeNi3-LDH/Fe-N-CNFs）的转换。由于改性后的纤维表面带有丰富的-OH和-C=O官能团,在静电吸附作用下吸引带正电荷的Fe3+和Ni2+金属离子,为FeNi-LDH提供新的生长位点,实现了原位合成三维结构复合催化剂。结果表明,碳纤维的加入不仅提高了复合材料的导电性,还改变了催化剂的内部结构,使其具有较高的比表面积(596 m2 g-1)和大量的介孔结构,增加了催化材料活性位点的数量,并可加速传质过程,使FeNi-LDH/Fe-N-CNFs催化剂的OER活性得到显著提升,在10 mA cm-2的电流密度下,过电位只有263 mV。同时,Fe、N的引入不仅提高了Ni3+的含量,还增加了片层与纤维之间的接触面积,有利于保持三维结构,从而使其显示出较好的OER稳定性。选择具有良好周期性结构的沸石咪唑类金属有机骨架（ZIF-67）材料制备Co/N-C单原子催化剂,并系统地研究了Zn、MeIm（2-甲基咪唑）在ZIF-67中的作用以及不同Co/Zn/MeIm比例对衍生催化剂的结构与电催化性能的影响。同时,对于Co源种类、反应时间和热解温度等合成条件也做了深入的讨论分析,揭示了获得Co单原子催化剂的规律,为单原子催化剂的合成提供理论依据。研究发现Co/N-C-1000催化剂具有卓越的ORR活性及超高的电化学稳定性,其半波电位可达0.856 V,高于商业Pt/C（0.84 V）,并且在30000个循环伏安测试之后,半波电位只衰减了3 mV。通过XANES、EXAFS及电化学测试可以确定Co-Nx为ORR主要的活性中心。