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氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）是燃料电池、金属空气电池等能量存储与转化器件中的重要阴极反应,其反应历程复杂、能量势垒高,一般需要高活性的电催化剂。目前,贵金属铂（Pt）及其合金等是最高效的ORR催化剂,但由于储量低、成本高、稳定性差等因素,其大规模应用受到了极大限制。因此,开发基于非贵金属的ORR高效催化剂成为了当前的研究热点。其中,基于非贵金属铁、钴、锰负载在氮掺杂碳（M-N/C）（M-N/C,M=Fe、Co、Mn等）类材料得到了广泛关注,被认为是当前最有发展前景的ORR催化剂之一。此类催化剂中含有金属-氮-碳配位结构,其中ORR活性中心普遍认为是金属原子M螯合于数个掺杂于碳晶格中的氮原子之间（即M-Nx-C,x=1-4）。目前M-N/C类ORR催化剂的研究面临三个相互联系的科学问题:1.如何合理设计制备富含M-Nx-C活性中心的材料?2.其ORR催化的构效关系如何?3.如何进一步提高其ORR性能,特别是酸性介质中的活性和稳定性?目前合成M-N/C类ORR催化剂的主要方法是高温热解含金属、氮、碳的前驱体,但由于金属原子的高温团聚,此方法合成的催化剂中M-Nx-C活性位点密度不高,且由于高温聚集,催化剂比表面积小,导致活性位点不能充分暴露;同时,催化剂中多包含多种可能的活性相,如金属纳米颗粒、M-Nx-C及氮掺杂碳等,导致难以对其构效关系进行解析并进一步优化其性能。因此,发展有理可控的M-N/C类ORR催化剂制备方法至关重要。基于此,本文围绕M-N/C类催化剂的制备和其ORR性能,先后开展了以下三方面工作:（1）利用络合金属Fe离子和三聚氰胺的聚多巴胺微球（PDA-Fe-melamine）为前驱体,通过高温热解制备了Fe/N-C催化剂。对Fe/N-C催化剂进行组分构成研究和电化学测试,结果表明富含氮的三聚氰胺的引入有效抑制了高温下Fe原子的聚集和Fe3C纳米颗粒的形成,有利于提高M-Nx-C活性位点密度和产生孔径结构。Fe/N-C催化剂在碱性电解液和酸性电解液中都具有良好的催化性能,其中碱性中的ORR半波电势高于Pt/C催化剂35 m V,酸性介质中低于Pt/C催化剂55m V。且ORR催化过程主要是以四电子反应为主,具有良好的循环稳定性和甲醇耐受性。（2）为了进一步提高M-Nx-C活性位点密度和催化剂孔隙率,在（1）的基础上,本论文又通过引入高温可蒸发的Zn元素,利用聚多巴胺络合金属Fe/Zn双金属离子,并负载高含氮量的三聚氰胺,制备了PDA-Fe/Zn-melamine微球前驱体,将其高温热解得到了新的Fe/N-C催化剂。结构表征和电化学测试表明:PDA-Fe/Znmelamine前驱体中Zn离子与Fe离子竞争配位,抑制高温下Fe离子的聚集,同时高温下Zn的蒸发提高了催化剂的孔隙率。同时在碱性和酸性体系中进行ORR催化性能的测试,发现其在酸性条件下的ORR性能接近商业Pt/C催化剂,并且碱性和酸性介质中的ORR半波电势分别高于Pt/C催化剂35 m V和低于Pt/C催化剂29 m V。通过可控的催化剂制备方案,表明催化剂的孔径结构及活性位点含量的提高有利于ORR催化反应的进行。（3）由于高温下金属离子的聚集很难完全抑制,为了进一步提高M-Nx-C活性位点密度和催化活性,本论文进一步探讨了等离子体掺杂的方法,即利用氮气等离子体取代高温热解,对石墨烯进行可控性氮掺杂,再负载金属原子钴,形成CoN/C催化剂。该方案避免了高温下金属离子的聚集,并实现了高含量的氮掺杂。结果表明:该方法能对石墨烯进行高浓度氮掺杂,原子百分比可达18.5%;负载金属Co后形成的Co-N/C催化剂在碱性介质中的ORR活性得到大幅度提升。在形成的N/C载体中,含氮结构较为单一,且通过温度的影响可以改变氮的主要物种,能够根据反应所需要的结构进行可控性的调节。在催化剂的制备中,通过将金属粒子的负载在N/C材料上,使金属与N/C材料中的氮原子能够有效的形成金属-氮结构,一方面增加金属-氮的活性位点,另一方面能够有效的抑制金属之间的聚集,形成高分散的纳米粒子。综上所述,本硕士论文通过不同的合成方法,制备了三种M-N/C类ORR催化剂,在对其催化剂的合成、组成结构、反应活性位点及其ORR性能进行了研究。1、证明利用在前驱体的制备中加入小分子含氮物质的方法,可以增加前驱体中的氮含量以及金属-氮的活性位点,并且在高温条件下含氮物质的挥发,产生介孔空心结构。2、在前驱体的制备中将惰性可移动金属离子加入,可以有效的增加金属之间的间距,从而抑制金属之间的聚集,且在高温煅烧的过程中产生大量的微孔结构,有助于ORR反应的进行。3、通过等离子体可以制备具有高氮含量以及缺陷程度的N/C材料,且氮物种单一,能够通过后续的温度的影响改变主要氮物种。而且,N/C载体能够有效的负载金属,形成金属-氮结构,合成M-N/C类电催化剂。通过以上工作内容,对M-N/C类催化剂的合成提供了切实有效的方法,具有一定的参考意义。