在全球能源危机和环境问题越来越严重的时代背景下,金属-空气电池以及质子交换膜燃料电池（PEMFCs）都是当今最新一代的可以将能源进行转换的装置,这些装置的能量密度高、对安装的地点不挑剔、能适用较广的范围、而且不会对环境造成污染等,因此这类绿色装置得到了人们的广泛关注。但电池阴极氧还原反应（ORR）缓慢的动力学过程严重影响了装置整体的转化效率,必须依赖高效的催化剂来加速反应。商用Pt基催化剂虽然在ORR中表现出极优秀的催化活性,但其价格昂贵、资源匮乏、耐久性及抗甲醇性差,限制了这类电池的广泛商业化。因此,设计开发高效、耐用、廉价的非贵金属基催化剂对燃料电池类能源转换装置的商业化推广具有重大意义。理论计算研究表明,Cu是在"火山图"顶部最接近Pt的过渡金属,Cu/C催化剂被认为是最有潜力替代Pt且实现电池大规模使用的催化剂材料之一。本论文通过杂原子掺杂来调控Cu/C催化剂的微观结构从而得到了一系列高性能的ORR电催化剂,所取得的研究结果主要包括:（1）以碳纳米管、酞菁铜以及三聚氰胺为原材料,利用研磨和简单热处理的方法制备了Cu-N-C催化剂。在碳纳米管和三聚氰胺含量不变的前提下,当金属含量为4 mg且热处理温度为700℃时,得到的Cu0.4-N-C催化剂ORR性能最佳。4 mg的金属前驱体含量,不仅可以为催化剂提供足够的催化活性位点,而且可以避免因金属含量过高而出现团聚的情况。通过STEM研究发现:Cu0.4-N-C催化剂中的Cu纳米团簇仅为1 nm左右的超小尺寸,为催化剂提供了更大的电催化活性面积。制备的Cu0.4-N-C催化剂在碱性电解质中具有优秀的ORR性能,起始电位和半波电位分别为0.98 V和0.88 V,而且经过30000s的计时电流（i-t）测试仍然保留初始电流的93.2%。即:Cu0.4-N-C不仅表现出比商业Pt/C更优越的ORR催化活性,而且在对甲醇的抗毒性和耐久性方面也优于Pt/C催化剂。而且Cu0.4-N-C催化剂的反应过程表现为四电子反应过程。对比分析系列Cu-N-C催化剂的N 1s XPS精细扫描结果中各种N配位结构（石墨氮,吡啶氮、吡咯氮以及Cu-NX）的含量变化,并结合ORR电催化性能的变化,可以得到:Cu0.4-N-C高的ORR电催化活性主要归因于大量Cu-NX活性位点的形成。（2）为了实现对碳载铜类催化剂ORR性能的进一步提高,本论文采用S元素继续调控Cu-N-C催化剂的微观结构形成N,S双掺杂的Cu-S-N-C催化剂。该催化剂以碳纳米管、硫脲、酞菁铜和三聚氰胺为原材料制备得到的。研究了S元素含量对催化剂的微观结构和ORR性能的影响:S元素的含量会对N元素的掺杂有一定的调控作用,当S元素前驱体含量为10 mg时能够为催化剂提供适量的S元素,使Cu-S1-N-C催化剂中的N元素含量最高,有利于Cu-NX活性位点的形成。而且S元素形成的-C-S-C-活性位点也有利于优化ORR催化活性。另外,与Cu-N-C催化剂不同的是,制备Cu-S-N-C催化剂最优的热处理温度为800℃,其原因是S元素的掺杂效果会受到热处理温度的影响。而S元素的含量会对N元素的掺杂有一定的调控作用。当热处理温度为800℃时,催化剂Cu-S1-N-C/800中的S元素含量最为适量,形成的Cu-NX活性位点含量也最多。制备的Cu-S1-N-C/800催化剂在碱性电解质中,表现出优于商业Pt/C和Cu-N-C催化剂的ORR活性,其起始电位和半波电位分别为0.989 V和0.905 V,而且经过30000 s的i-t测试仍然可以保留初始电流的95%,而且其反应过程也主要为四电子反应过程。综上,经过双杂原子共掺杂的Cu-S-N-C催化剂无论是在ORR催化活性方面还是在稳定性方面都相对仅有单一杂原子掺杂的Cu-N-C催化剂有一定的提升,其原因可能是S元素对Cu-NX活性位点的调控以及-C-S-C-活性位点的形成。