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氧气还原反应是能量存储与转换装置如燃料电池、金属-空气电池中一个极其重要的反应。目前,铂（Pt）基催化剂仍是催化此缓慢反应的最为有效的电极催化剂。Pt价格昂贵、资源匮乏,限制了这些电化学装置的广泛商业化应用。开发廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂是燃料电池大规模商业化的必由之路。M-Nx/C类催化剂具有氧还原催化活性高、稳定性好、抗甲醇渗透等优点,而且具有前驱体材料来源丰富、价格低廉等优势,是最具有发展前景的非贵金属氧还原催化剂。然而,此类催化剂在酸性溶液中的性能还有待提高,特别是对于在酸性的质子交换膜燃料电池中的实际应用来说。本论文构建了一系列M-Nx/C类催化剂,考察了它们在酸性和碱性溶液中的氧还原催化行为,采用TEM、氮气吸脱附测试、XRD、EDX、拉曼和XPS对催化剂的结构和组成进行了详细表征,并用CV、RDE和RRDE技术分析氧还原动力学和机理,以期探讨影响氧还原活性的关键因素,并分析催化剂中可能的活性位组成结构。研究成果主要包括:（1）采用硬模板方法,以双氰胺为氮源前驱体,制备了多孔氮掺杂石墨烯泡沫作为氧还原催化剂。该催化剂在酸性和碱性溶液中都显示出优异的催化活性。在碱性溶液中,其起始电位和极限扩散电流密度分别为1.02vvs.rhe和7macm-2,性能超过了商业化的pt/c催化剂;在酸性溶液中,其起始电位和极限扩散电流密度分别为0.83vvs.rhe和7.5macm-2。rrde测试结果表明,无论是在碱性还是酸性溶液中,多孔氮掺杂石墨烯泡沫催化氧还原都是经历直接四电子过程。分子毒性探针实验表明,金属铁在酸性溶液中参与氧还原反应过程,而在碱性溶液中对氧还原的影响不大。此外,多孔氮掺杂石墨烯泡沫催化剂在碱性和酸性溶液中有很大的催化选择性,并表现出优异的稳定性。多孔氮掺杂石墨烯泡沫催化剂氧还原催化性能的提高缘于采用二氧化硅为硬模板,可以有效防止石墨烯在制备过程中的堆叠、团聚,形成多孔泡沫状的三维结构,从而增大石墨烯的比表面积,有利于活性位点的暴露和为反应物和产物提供良好的传质的能力。（2）氮源前驱体和过渡金属前驱体对催化剂的性能有着重要影响。以不同结构的单氰胺、三聚氰胺和尿素为氮源前驱体,优化制备了一系列层级多孔氮掺杂石墨烯泡沫作为氧还原电催化剂。进一步考察了不同过渡金属前驱体对催化材料氧还原性能的影响。研究发现:以单氰胺为氮源前驱体,氯化亚铁为过渡金属前驱体制备的石墨烯泡沫催化剂具有最高的氧还原性能。所得的催化剂电催化性能较以双氰胺为氮源前驱体的催化剂进一步增强。在碱性溶液中,其起始电位和极限扩散电流密度分别是1.03v和9macm-2,性能超过了商业化的pt/c催化剂;在酸性溶液中,其起始电位和极限扩散电流密度分别是0.81v和10macm-2。这极大的扩散电流密度与催化材料比较高的比表面积和适宜的孔径分布结构有关。rrde测试结果表明,无论是酸性还是碱性溶液中,hpgf-1催化氧还原是通过四电子途径,具有较高的能量转换效率。hpgf-1催化材料具有比商业化的pt/c催化剂更为优异的甲醇耐受性和电化学稳定性。单电池初步发电结果表明:在酸性聚合物燃料电池中,电池ocv为0.83v,最高功率密度为21.6mwcm-2。而用作一次锌空电池空气阴极催化剂时,电池表现出极佳的性能,电池ocv高达1.40v,最高功率密度可达327.5mwcm-2。（3）基于多孔石墨烯表现出优异的氧还原性能,我们进一步对杂原子（硼、磷）掺杂的多孔石墨烯进行了研究。以硼酸为硼源前驱体,三苯基膦为磷源前驱体,单氰胺为氮源前驱体,氯化亚铁为过渡金属前驱体,探索制备了过渡金属修饰的杂原子单元素和多元素掺杂的多孔石墨烯泡沫催化剂。研究发现加入过渡金属修饰,可以提高杂原子掺杂碳材料在碱性和酸性中的氧还原性能,特别是在酸性中尤其明显。多元素掺杂可以进一步提高其氧还原活性。然而,相比于氮掺杂的多孔石墨烯催化剂,所得催化剂的氧还原活性有所降低。如何发挥多元素之间的共作用机制仍是一个挑战。（4）提供了一种大规模制备非贵金属氧还原催化剂的简便方法:利用溶液浸渍-研磨-一步热还原方法,选用salen为新的氮源前驱体,coso4为金属前驱体,以碳黑为载体,制备了co-n-s/c氧还原催化剂。探讨了不同处理温度对co-n-s/c氧还原催化剂活性的影响。结果表明温度处理对催化剂的催化性能有着很大的影响,金属在高温处理过程有一部分会被还原,并随处理温度的升高颗粒增大,金属在催化剂中的主要存在形态为单质和Co9S8。700 oC处理的催化剂Co-N-S/C-700表现出最佳的性能。催化剂中的活性位结构可能为Co-Nx,并且在800 oC以上开始降解。石墨氮在氧还原过程中有着重要作用。RDE和RRDE测试结果均表明Co-N-S/C-700催化剂催化氧还原是一个近四电子还原过程,在整个电位区间内,双氧水的产量在3.7%到19.9%之间,相对应的电子转移数在3.6到3.9之间变化。此外,Co-N-S/C-700催化剂有着极好的耐甲醇性能,在直接甲醇燃料电池中有着良好的应用潜力。