日趋严重的能源枯竭及环境恶化,推动着新型环保储能技术的不断革新。燃料电池由于具有优异的可持续性、能效、环境友好性,被认为是解决能源及环境危机的重要电化学装置之一。但燃料电池的大规模商业应用,受到贵金属铂资源紧缺、价格高昂、耐久性差等问题的严重限制。碳纳米材料,因为其自身微观形貌可控、导电性优异、化学稳定性出色、并且一般具有很好的孔道结构,因而可用作新型燃料电池电催化剂。而对碳纳米材料的性能优化主要通过结构形貌构筑、异质原子掺杂及缺陷工程调控等手段进行。本文中通过合理的结构设计,对碳材料的缺陷度及异质原子掺杂等进行调控,从理论与实验的角度对富缺陷异质原子掺杂碳材料的氧还原催化作用机制及其在锌-空气电池中的应用作了较为系统的探究,主要研究成果如下:1.通过理论模拟探究了缺陷位点与氮、硫掺杂剂对碳材料反应性的协同作用,发现缺陷与掺杂剂共同作用减小了碳基能带隙,使得碳基发生局域电子重排,提升了其氧还原活性。选择生物质废料鸡羽作为碳、氮、硫源,通过预炭化处理转换成碳材料,再结合氢氧化钾与氨气活化作用,获得了富缺陷氮硫共掺杂的产物（CF-K-A）。由于具有内部连通的三维孔隙结构、高的比表面积、缺陷度及杂原子掺杂量,CF-K-A显现出优良的氧还原活性与耐久性,从而验证理论预测结果。当用作空气电极电催化剂时,CF-K-A显示出优良的锌空电池输出性能。2.利用密度泛函理论发现碳五元环（C5）拓扑缺陷相较普通六元环（C6）的优越性,即C5具有较小的能隙、更优的电荷密度和更出色的氧亲和性,是较为理想的氧还原催化活性位点。继而选取富含C5拓扑结构的富勒烯(C₆₀)作为原料,在热解的同时对其进行原位刻蚀,使得C5结构暴露在重构的碳基材料中,获得了具有大量本征五元环拓扑缺陷的产物（PD-C）。通过与由六元环组成的石墨烯的刻蚀产物（D-G）作对比,发现在缺陷度相似的情况下,具有本征五元环缺陷的PD-C的氧还原活性、反应机制、耐久性均要更好,较好地验证了理论预测结果。而掺氮后的PD/N-C的氧还原综合性能提升至接近商业催化剂的程度,并表现出良好的金属-空气电池性能。此外,上述具有五元环拓扑缺陷的材料还展示出不俗的双电层电容器特征。