化石燃料的极端消耗,导致严重的环境污染和能源短缺问题。电化学还原技术作为新型燃料电池的核心,能够有效地利用现有的清洁、可再生能源,缓解能源短缺和环境污染问题。电化学还原反应过程中电极电势以及反应动力学取决于催化剂的结构和活性位点的设计。贵金属催化剂由于价格高、储量稀少因素限制了其在工业上大规模应用。过渡金属铁基催化剂具有丰度高、导电性高、成本低等优点,被认为是能够取代贵金属催化剂的材料之一。然而,铁-氮-碳（Fe-N-C）等铁基催化剂活性位点,稳定性和催化机理等一直存在争议。本论文以铁基催化剂为研究中心,通过调控宏观形貌、微观结构、化学组分,优化电子结构,以及构建缺陷等策略实现对材料的结构和活性位点的精准设计,研发了三种具有优异催化性能的纳米碳基铁单原子催化剂。主要的研究思路如下:1.针对催化剂催化稳定性差、催化机理不清晰的问题,设计制备了一种新型Fe单原子均匀分散在具有反蛋白石结构的N,O掺杂的多孔碳（FeSA-NO-C）基质上的催化剂,该催化剂在常温常压,-0.4 V电压下,具有出色的NH3的产率（31.9μg h-1 mg-1）和法拉第效率（FE,11.8%）,这样优异的催化性能几乎超过了以前报道的大多数的金属-氮-碳催化剂。理论计算表明,FesA-NO-C催化剂较高的氮气还原催化活性主要是由于均匀分布在多孔碳载体上的相邻O原子和Fe原子之间的电荷转移优化,电荷优化后的催化剂不仅显著促进了催化剂传输N2和质子的能力,还有效地降低了 Fe原子与吸附中间体之间的结合能以及速控步骤（*N2→*NNH）的热力学吉布斯自由能。2.针对氮气还原反应过程中电流密度和选择性低的问题,设计开发了 一种铁单原子分散在N,S共掺杂碳（FesA-NSC）上的催化剂。该催化剂在环境条件下,0.1 M HCl溶液中展现出优异的氮气还原活性,NH3产率为30.4μg h-1 mg-1cat,法拉第效率为21.9%。实验和理论计算表明,Fe-N配位结构中引入S原子能够有效地活化正一价Fe位点,并使得正一价Fe原子在FeN3S1配位结构中实现理想的eg电子（t2g6 eg1）填充,这使得催化剂与氮气的作用力适中,有助于促进N≡N建断裂,进而加速后续的加氢反应过程。15N同位素标记实验证明了合成的NH3中氮是氮气,原位红外光谱实验证实了 FesA-NSC催化剂促进了氮气加氢反应过程,密度泛函理论（DFT）计算表明FesA-NSC催化剂与中间体的作用力适中,具有适当的键长和吸附能,有利于促进氮气还原的（*N2→*NNH）动力学过程。此外,以FeSA-NSC催化剂作为阴极的Zn-N2电池,具有产电能和将N2转化为NH3的能力,同时提供了高达4.0 mW cm-2的功率密度和793 Whkg-1的能量密度。3.合理的形貌和多孔结构设计可以暴露更多的活性位点,提高反应物/产物的迁移速率,加快反应动力学。针对催化剂催化活性低,稳定性差,制备方法复杂等问题,设计合成了一维多孔铁/氮,硫共掺杂碳纳米棒（FeSA-NS/C）催化剂。通过调控热聚合反应温度来调变催化剂的配位结构进而提高其催化活性。其配位结构为FeN3S1催化剂具有优异的催化两电子氧还原（两电子ORR）产生过氧化氢（H2O2）的性能。在0.1 M KOH溶液中,H2O2的选择性为91.5%,将该催化剂应用于流动池,积累30 h后H2O2浓度高达1.73 mol L-1。原位同步辐射测试和DFT理论计算表明,还原反应过程中电子由Fe转移到O2上,相比于FeN4结构,FeN3S1结构费米能级附近态密度增加,吸附能增强,从而导致电催化ORR产H2O2能量势垒降低,催化性能提高。