微生物燃料电池（MFCs，中性介质）以其原料来源广泛、操作条件温和、清洁高效等优点在废水处理、海水淡化等领域有着巨大的应用前景。但MFCs阴极昂贵的铂催化剂严重阻碍了MFCs的商业化进程。碱性阴离子交换膜燃料电池（AAEMFCs，碱性介质）作为一种新型的燃料电池，结合了质子交换膜燃料电池(PEMFCs)和碱性燃料电池(AFCs)的优点，具有电池结构紧凑、无液态电解质泄漏、无碳酸盐析出等特点，同时又可使用非贵金属催化剂。因此近年来成为国际燃料电池界的一个研究热点。本篇论文工作目标是制备适用于中性介质或碱性介质的高效非铂氧还原催化剂。本课题以将氮掺杂碳材料与过渡金属氧化物（或过渡金属）杂化复合制备非贵金属氧还原催化剂为出发点，主要开展了以下几方面的研究工作:　　(1)氮掺杂石墨烯具有优越的导电性能和电化学性能，Co3O4差的导电性能造成其ORR催化活性不高。第二章采用水热法制备出氮掺杂石墨烯与Co3O4复合材料(Co3O4/N-G)。在中性介质中Co3O4/N-G表现出接近Pt/C的ORR催化活性以及更优的长期稳定性。此外，将其用作MFC阴极催化剂获得最大功率密度0.134 mW/cm2，接近于Pt/C-MFC的产电性能(0.147 mW/cm2)。电化学测试分析发现，Co3O4/N-G这种突出的ORR催化性能主要归因于其良好的电荷传导能力以及氮掺杂石墨烯与Co3O4纳米粒子之间的协同增强作用。　　(2)高比表面积和引入过渡金属是增加氮掺杂碳材料氧还原催化活性的有效途径。第三章以聚苯乙烯/聚乙烯醇水凝胶复合材料为原位模板，通过浸渍煅烧法制备出了具有分级多孔结构的铁氮共掺杂碳(HP-Fe-N-Cs)。在中性介质中HP-Fe-N-C-900表现出了接近4电子过程的ORR催化活性和优于商用铂碳催化剂的长期稳定性。此外，将HP-Fe-N-C-900用作MFC阴极催化剂，获得了高于Pt/C的短路电流(0.69 mA/cm2 vs.0.63mA/cm2)及相近的最大功率密度(0.14 mW/cm2 vs.0.15 mW/cm2)。其高效的氧还原催化性能主要归功于其高比表面积、分级多孔结构以及铁氮共掺杂(N-C和Fe-Nx催化活性位)的共同作用。　　(3)氮掺杂碳材料中石墨型氮结构被认为是最有可能的ORR催化活性位点。第四章通过溶剂热再碳化的方法原位制备出了氮掺杂碳与Fe3O4的杂化复合材料(Fe3O4/N-C)，且其中的氮掺杂碳以石墨型氮为主导。结果表明Fe3O4/N-C在碱性介质中具有接近Pt/C的ORR催化活性和优于Pt/C的甲醇耐受性和长期稳定性。其电子转移数为3.92，表明其催化的氧还原反应几乎为4电子还原过程。此外，相比文献中已报道的过渡金属氧化物与氮掺杂碳复合材料的氧还原催化剂，Fe3O4/N-C-900具有更高的ORR催化活性。分析发现Fe3O4/N-C-900高效的ORR催化活性主要归因于其高的比表面积以及丰富石墨型氮掺杂碳与Fe3O4的良好的协同增强作用。　　(4)双功能氧电极催化剂对氧还原反应(ORR)和氧生成反应(OER)都具有很高的催化活性和稳定性。第五章采用溶剂热再碳化的方法制备出了具有特殊结构的氮掺杂碳与钴纳米颗粒的杂化复合材料(Co/N-C-800)。结果表明Co/N-C-800在碱性介质中不仅具有接近Pt/C的ORR催化活性和更优的长期稳定性，还表现出了出色的OER催化活性和稳定性，在10 mA/cm2时过电位为371mV，OER塔菲尔斜率为61.4 mV/dec。作为双功能氧电极催化剂，Co/N-C-800的氧电极活性△E（△E值越小，活性越高）仅为0.859 V，低于文献中已报道的大部分双功能氧电极催化剂的△E值。分析发现，Co/N-C-800优异的双功能氧电极催化性能主要归功于其高的比表面积，低的电荷转移电阻以及氮掺杂碳与钴纳米颗粒之间良好的协同增强作用。