随着社会经济的高速发展,全球均面临着能源供应不足、生态环境破坏和气候变暖等严峻考验,这要求我们寻找绿色、可持续和更高效的能源储存和转换技术。其中,以清洁能源H2为燃料,O2为氧化剂的质子交换膜燃料电池表现出高效、清洁、环境污染小等多方面的优势,是新型能源的首选之一。同时,锌-空气电池相比其他金属电池也具有能量密度高、生产成本低和在溶液中稳定性高等明显优势,成为下一代能源储存装置最有潜力的候选者。然而,二者均面临着阴极氧还原反应（oxygenreductionreaction,ORR）动力学缓慢的问题。因此,开发高效ORR催化剂成为其发展的关键所在。目前,市面上使用的ORR催化剂大多为基于Pt的贵金属催化剂,他们价格昂贵、资源匮乏且制备过程复杂,需要寻求性能优异、原料丰富、制备简单的替代者,其中碳基单原子位点（single-atomic site,SAS）催化剂由于具有活性位点单一、原子利用率高等优点成为首选。Fe SAS催化剂因具有独特的电子结构,ORR性能最为优异。为满足商业化需求,需进一步提高Fe SAS催化剂的活性。众所周知,碳载体与SAS之间的相互作用不仅有利于SAS的生成和稳定,还为SAS局部电子结构的调控提供了契机。本文通过缺陷、纳米颗粒/纳米团簇等协同组分,对金属-载体相互作用进行理性设计,制备了一系列协同增强型Fe SAS催化剂,并对其活性位点、组分、协同效应及构效关系进行了研究。本论文研究的主要内容如下:（1）针对传统SAS催化剂活性密度低且活性较差的现状,本文采用一种简单的H2O2刻蚀策略制备了缺陷协同增强型Fe SAS（Fe-N-C/H2O2）。由于H2O2的氧化性,炭黑在水热过程中被刻蚀得到了丰富的缺陷及金属原子锚定位点。以缺陷碳为载体进一步引入Fe SAS得到Fe-N-C/H2O2。碳模板的存在赋予催化剂三维多孔结构。同时,缺陷的引入不仅提高了 Fe SAS的负载量（从0.58 wt%升高至0.73 wt%）,还有利于Fe SAS电子结构的优化,最终实现了 Fe SAS活性的提高。Fe-N-C/H2O2在全pH范围内表现出优异的ORR性能,其中在0.1 MHClO4中起始电位（Eonset）为0.93 V,稳定性测试循环2万圈后,稳定性优异。同时,在碱性和中性电解质中也表现出较好的ORR性能。（2）针对ORR在中性介质中动力学缓慢的问题,采用一步C3N4限域策略制备了石墨烯封装的Fe3C纳米晶协同增强型Fe SAS（Fe3C@C-Fe SAS）。由于Fe SAS与Fe3C@C纳米晶之间存在较强的协同效应,Fe3C@C-Fe SAS在中性电解质中表现出较强的ORR性能,Eonset为0.99 V,稳定性测试3万圈后依旧保持优异的活性,优于商业Pt/C催化剂。在中性系统中集成的锌-空气电池表现出优异的峰值功率密度,达到74.8mW/cm2,耐久性超过110小时,是目前报道的最先进的非贵金属ORR催化剂之一。密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算表明Fe3C@C纳米晶的引入有利于O2分子的活化和OH*在Fe SAS上的解吸,从而加速反应动力学,提高ORR活性。鉴于Fe3C@C-Fe SAS具有明确的构效关系,本研究为更设计优异的能源电催化剂提供了新的策略。（3）尽管基于ZIF-8的Fe SAS催化剂相较于其他催化剂在ORR活性上具有明显优势,但将其应用到酸性介质中时,其活性仍不如商业Pt/C催化剂。针对这个问题,利用双限域策略,即利用ZIF-8丰富的配位节点与Fe配位形成Fe/ZIF-8,再利用其退火得到的多孔碳载体引入超细的Pd纳米簇,制备Pd纳米簇协同增强型Fe SAS催化剂（Fe-N-C/Pdc）,实现Fe SAS催化剂在酸性介质中较商业Pt/C催化剂活性更高的目标。通过前驱体的调节及合成条件的优化,研究表明Pd纳米簇的大小及组分可以有效调控Fe SAS的ORR活性。性能测试表明,Fe-N-C/Pdc在0.1 M HClO4中的Eonset和E1/2分别达到0.94 V和0.89 V,超过了商业Pt/C催化剂（0.92 V和0.84 V）。DFT结果表明,Pd纳米簇可以降低OH*的脱附能垒,进而改变Fe SAS的ORR决速步骤;反之,Fe SAS可以辅助Pd纳米簇实现4e-ORR过程,两者的相互协同作用提升了 ORR性能。