能源紧缺和环境污染问题促使人们迫切地需求高效的可再生能源储存装置。锌空电池（Zn-Air）作为一种先进的可再生能源转换和存储系统,具有高理论容量密度、高安全性、低成本和环境友好等优势。然而,Zn-Air电池的性能一直受到空气电极中氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）缓慢以及过高的反应势垒限制,导致能量转换效率低,循环寿命短。对非贵金属催化剂进行合理改性是解决上述问题、提高Zn-Air电池性能的有效方法。在众多非贵金属催化剂中,金属钴因其储量丰富、电子价态多样、电子结构可调等特点而成为催化领域的热点,特别是以Co-Nx-C为活性中心的原子级分散催化剂在近年来倍受关注。然而,Co-Nx-C的催化表现相对于贵金属催化剂还有一定差距。本论文以Co CN催化剂为研究对象,开发不同的合成方法引入金属颗粒或杂原子配位对Co-Nx-C活性中心的电子结构进行调控,旨在提高其双功能催化性能并应用于可充电Zn-Air电池。采用气相迁移策略制备CoNi@CoCN催化剂,实现了均匀细小的CoNi纳米颗粒（10 nm）作为“固体配体”修饰Co-Nx-C活性位。与传统的湿法浸渍相比,气相迁移策略可以使含Ni的气态前驱体被Co/N共掺杂的碳基底均匀捕获并有效储存,在后续处理中保证了生成的Co Ni合金纳米粒子的细小尺寸和均匀分布,从而有利于它们与相邻的原子级分散的Co-Nx-C活性位有效耦合。DFT理论计算表明,相邻的Co Ni纳米颗粒作为“固体配体”减少了Co-Nx-C活性位点中Co原子周围的电子,降低了d带中心,加速了*OH中间体的活化和脱附,从而加速了整个ORR的反应。Co Ni@Co CN复合型催化剂表现出优秀的双功能氧电催化性能（ΔE=0.71V）,在加速老化试验中表现出较高的耐久性（5000次循环后半波电位偏移仅1 m V）。以Co Ni@Co CN组装的Zn-Air电池显示出157.1 m W cm-2的高功率密度、高比容量（约为理论容量的92.4%）、超过200 h的循环寿命和高电压-安培效率。针对上述催化剂中纳米级别的颗粒对原子级别分散的活性位调节不充分的问题,开发一种静电自组装方法将O原子配体精确地引入到Co N4的轴向位置,制备了具有五配位Co活性中心的Co N4-O1/MX催化剂,实现以单个原子配体进一步调节原子级分散的活性位。催化剂呈现具有三维皱褶结构的片状形貌,其可以有效地抑制分层MXene纳米片的重新堆积,确保了活性位点的充分暴露。DFT理论计算表明,O-Co N4的轴向配位可以影响Co-O键之间的电子定位,并打破Co的电子分布对称性,导致比对称Co N4位点更好的OH*中间体活化和脱附能力以及更好的催化表现。在此基础上证明了采用三聚氰胺作为保护性铵盐以及合适温度（700℃）可以有效提高催化剂的表现。Co-N4-O/MX催化剂展现了优异的双功能活性（ΔE=0.72 V）以及卓越的转化效率（TOF是商业Pt/C的5倍）。以Co N4-O/MX组装的Zn-Air电池显示出182.8 m W cm-2的高功率密度、高比容量（约为理论容量的92.5%）、超过250 h的循环寿命和高电压-安培效率。针对上述Co基催化剂活性大幅度提高,但是稳定性仍然不足的问题,采用以Na Cl熔融盐模板辅助法,将原子级分散的Co-Nx-C位点锚定在Cr2O3基底上作为一种新型的超稳定双功能氧催化剂。所制备的Co CN@Cr2O3是由许多相互连接的几纳米的纳米晶体组成超薄纳米片,由于晶体之间存在大量的孔隙,允许电解液和离子通过薄片传输,提高催化剂的传质能力。更为独特的是,Cr2O3的引入有效抑制了催化剂的2e-反应途径,使其在催化过程中产生更少的H2O2。副产物H2O2的产率降低可以有效减弱Fenton效应,避免活性位的脱落。Co CN@Cr2O3催化剂展示出优异的双功能催化活性（ΔE=0.71 V）。更重要的是,Co CN@Cr2O3催化剂展现了超强的催化耐久性:在10 h的计时电流测试中,催化剂可以保持100%的初始电流值,甚至在50 h测试后,依然能保持在初始电流的90%以上,远远超过了未引入Cr2O3的Co CN催化剂。同时,以Co CN@Cr2O3组装的Zn-Air电池也展现出了超过1500 h的超长循环寿命。