氧还原反应（ORR）与人类的生产和生活息息相关。大多数能量转换装置都需要ORR的参与,尤其是燃料电池和金属-空气电池。但由于阴极反应动力不足,需要大量贵金属催化剂促进ORR的进行,这严重阻碍了电化学装置的发展。因此,发展非贵金属ORR催化剂迫在眉睫。在众多被研究的非贵金属ORR催化剂中,铁-氮-碳催化剂（Fe-N-C）因具有最接近于商业铂碳的ORR活性而备受关注。为能够进一步推动Fe-N-C催化剂的发展,本文以常温下搅拌即可得到的沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）为碳源和氮源,结合多种铁源以简单的方法制备Fe-N-C催化剂,并从形貌构筑、杂原子掺杂和活性位点设计的角度出发,探究对Fe-N-C催化剂ORR活性的影响。本文的研究内容及取得创新性成果如下:（1）铁源的选择与Fe-N-C催化剂的制备成本、形貌和活性等紧密相关。本文首次选用磷酸铁锂作为Fe源和P源,与ZIF-8直接研磨混合,通过高温下的原子重组,成功获得富含Fe-N_x位点的Fe、N、P共掺杂的类珊瑚状碳纳米管阵列包裹Fe₂P的碳基催化剂（C-ZIF/LFP）。得益于C-ZIF/LFP特殊的类珊瑚状碳纳米管阵列形貌以及C-N、C-P、Fe₂P和Fe-N_x多个活性位点的存在,C-ZIF/LFP在酸碱性电解液中的半波电位分别为0.74V和0.88V,并在碱性电解质以及一次锌-空气电池中表现出比商业20%Pt/C更高的ORR活性和稳定性。此研究为磷酸铁锂的高附加值回收利用提供了新的研究途径。（2）在溶液共沉淀法中,需要减弱Fe³⁺对ZIF的破坏,而这是一个很大的挑战。本文使用还原剂水合肼为调节剂加入到含有FeSO4·7H₂O的ZIF-8合成体系中,结合高温热处理获得具有大量碳纳米管的Fe、N、S共掺杂碳基催化剂（Fe/N/S-CNTs）。未使用水合肼调节制备所得的Fe/N/S-C催化剂仅有少量碳纳米管产生。此外,催化剂中出现S掺杂是由于吸附在ZIF表面的SO₄^2-在高温下不稳定与C反应而形成C-S-C和SO_x-C。得益于Fe/N/S-CNTs中碳纳米管提供的导电网络和传输通道,以及C-N、Fe/Fe₃C、C-S-C和Fe-N_x各个活性位点的共同作用,Fe/N/S-CNTs在酸碱性电解液中的半波电位分别为0.767V和0.887V,不仅超过Fe/N/S-C催化剂的ORR活性,还在碱性溶液以及一次锌-空气电池中超过了商业20%Pt/C的ORR性能。（3）多面体碳与碳纳米管在催化剂的研究中都占有重要的地位。为此,本文通过浸渍法在ZIF-8晶体表面引入FeSO₄·7H₂O和水合肼,结合一步煅烧法原位生成Fe、N、S共掺杂的多面碳基体与碳纳米管复合催化剂（Fe-N-S CNN）。浸渍法可使前驱体保持立方八面体形貌,不同铁源添加量可使热解产物中生成不同量的碳纳米管,从而可控地制备出多面碳基体与碳纳米管共存的复合产物。此外,水合肼的使用还可促进产物C-S-C活性位点的生成。得益于ZIF-8衍生碳提供的多孔结构,碳纳米管提供的良好电导率和物质传输通道,以及丰富的Fe-N_x和C-S-C活性位,6%Fe-N-S CNN在酸碱性电解液中的半波电位分别为0.78V和0.91 V,在碱性溶液以及一次锌-空气电池中表现出比商业20%Pt/C更优异的ORR性能,并且与酸性溶液中商业20%Pt/C的ORR活性相近。（4）基于Fe-N与Fe-P位点都具有高效的氧还原活性,如何充分利用Fe-N和Fe-P位点成为当前研究的难题。对此,本文设计和构建出具有P直接配位于Fe-N的新型活性位点催化剂,即通过有效利用三苯基膦的强金属配位能力,在ZIF-8的合成体系中分步引入三苯基膦和Fe SO₄·7H₂O,使得铁离子通过三苯基膦的桥接与ZIF-8连接制备前驱体,结合高温热解获得具有新型P-Fe-N_x位点的多孔立方八面体形貌的碳基催化剂（CPFe NPC）。P-Fe-N_x位点的形成是由于Fe原子与三苯基膦结合后,在高温下与P原子成键的Fe原子同时也被N原子锚定。得益于ZIF衍生碳提供的多孔3D结构,P掺杂引起的高吡啶N和石墨N含量,以及丰富的P-Fe-N_x和P-C活性位,CPFe NPC催化剂在酸碱性电解质中分别具有0.791V和0.923V的高半波电位;在碱性溶液以及一次锌-空气电池中表现出比商业20%Pt/C更优异的ORR性能;在氢/氧质子交换膜燃料电池（PEMFCs）单电池中可输出比无P掺杂的Fe NC催化剂更高的功率密度。此项研究成果为传统Fe-N-C催化剂的应用提供了新的研究方向。（5）目前,与P同族的Bi元素对Fe-N-C催化剂的氧还原活性影响的研究较少涉及。本文选择在高温下不稳定的C₃N₄为模版,制备出内外分别为C₃N₄和ZIF-8晶体组装而成的前驱体C₃N₄@ZIF-8,通过在设计的棒状C₃N₄中引入金属元素（Fe、Bi）,结合高温分解使金属原子被C₃N₄释放的同时掺杂进入ZIF-8衍生的碳结构中,由此获得具有双金属原子掺杂的多孔棒状碳基催化剂（Fe/Bi-RNC）。得益于多介孔的棒状结构、丰富的Fe-N_x活性位点以及特殊的Bi-O键,Fe/Bi-RNC催化剂在酸碱性中半波电位分别为0.766V和0.899V,不仅超过了Fe-RNC在酸碱性电解质中的ORR活性,还在碱性半电池和一次锌-空气电池中表现出比商业20%Pt/C更出色的ORR性能。