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燃料电池是一种清洁、高效的能源转化技术,阴极氧还原反应动力学速率是决定能源转化效率的关键因素。虽然传统Pt基催化剂可以实现大电流输出,但Pt储量稀少且耐久性差,严重阻碍了各类燃料电池大规模化应用。因此研发高效、稳定且价格低廉的非贵金属电催化剂具有重要现实意义。近年来,碳基单原子催化剂因其催化性能优异、结构独特、原子利用率高而被视为Pt基催化剂的优异替代者。然而,在原子尺度下金属表面自由能增加,单原子位点容易发生团聚,同时,大量的原子位点处于碳载体的微孔或体相中,难以参与催化反应。因此,需要合理设计制备条件,增加单原子的载量;优化碳载体构型,提高原子位点的实际利用率,从而提高材料整体催化性能。本文从提高金属分散性和传质、优化原子位点配位环境出发,研发简单高效的合成方法制备出一系列高性能的碳基单原子铁催化剂（Fe-NC）。具体的研究内容如下:（1）花瓣状多孔Fe-NC纳米片用于增强ORR反应传质过程利用可靠的硬模板法制备出了单原子铁-氮位点（Fe-N4）负载的花瓣状多孔碳（Fe NC-D）。以介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）为模板,通过调节碳/氮源（三聚氰胺和二乙烯三胺五乙酸）的比例来改善催化剂形貌、孔结构以及表面特性。当其比例为1:1时,得到的催化剂（Fe NC-D0.5）具有高介孔孔隙率和平衡的疏水性/亲水性,显著促进了反应物/产物传输,并增加了Fe-N4活性位点暴露,从而实现活性位点的高效利用。该催化剂在碱性溶液中表现出超越商业Pt/C的催化活性,半波电位(E1/2)为0.866 V,且具有优异稳定性和甲醇耐受性。将Fe NC-D0.5用于微生物燃料电池（MFC）和锌空气电池（ZAB）阴极时,能够表现出较高的功率密度(MFC:1041.3 m W m-2;ZAB:356m W cm-2)和良好的耐久性,远超商业Pt/C催化剂。（2）绣球花状碳负载高可亲Fe-N4位点用于增强ORR反应本章采用硅模板法,利用沸石咪唑骨架（ZIF-8）合成出具有开放空间和超大外表面积的绣球花状3D多孔材料。通过引入MSN模板,Fe掺杂的ZIF-8前驱体（2-甲基咪唑和硝酸锌）被组装成花状碳球,它由大量多孔纳米片交织而成,且这些纳米片由内而外伸展形成高度开放且互通的结构。该独特构筑可充分释放碳载体内部密集的Fe-N4位点,并加速催化剂层的传质,从而增加活性位点的利用率。此外,通过改变MSN的直径可以显著调节产物Fe NC-Fn的形貌和孔隙率。当MSN直径为500 nm时,优化的Fe NC-F3材料表现出优异的催化活性(E1/2为0.905 V),且在MFC和ZAB应用中均实现了较高的功率密度,分别为3200 m W m-2和288 m W cm-2。（3）可控地引入含硫官能团用于增强Fe-N4位点活性本章创新性地提出Mg（OH）2、KCl模板与KOH活化结合的策略,通过构建琼脂糖/硫代氨基脲复合凝胶,制备出高活性的Fe-NC催化剂。由于限域和催化效应,该策略不仅可促进发达孔隙结构的形成,增加金属载量和硫含量,而且可有效地控制硫官能团的种类,实现氧化型硫的优先生成。理论计算表明,相邻硫官能团可以显著影响Fe-N4位点的电子结构,优化金属位点对含氧物种的吸附能,大幅加速了活性中心的反应动力学。不同官能团修饰后的活性顺序如下:氧化型硫掺杂>噻吩型硫掺杂>原始Fe-N4。此外,本章还系统研究了模板含量和官能团种类（即氨基、羰基、硫羰基）对催化剂的影响,以及原子分散Fe-N4位点的形成过程。当以硫代氨基脲为原料时,优化后的Fe NC-SN-2催化剂具有浓密且活性增强的Fe-N4位点,表现出优异的ORR催化活性,在碱性溶液中E1/2增加至0.890 V。应用于MFC和ZAB中,该材料的催化效率和稳定性显著高于传统Pt/C,功率密度分别为1785 m W m-2和260 m W cm-2。（4）合理设计金属位点用于提升氧还原催化活性本章利用模板和活化结合的策略,构建壳聚糖/硫代氨基脲复合凝胶,制备出了一种高催化活性的Fe-NC纳米颗粒。本章系统地研究了Mg（OH）2、KCl模板和KOH对催化剂结构的影响。结合多步酸洗和热解过程,成功地将金属从普鲁士蓝转变成硫化亚铁,最后转为稳定的单分散铁位点。通过优化金属铁量（0.84 g）和模板剂种类后得到了目标催化剂（Fe NSC-2Fe）,其具有丰富的硫官能团、超高的孔隙率以及高活性的Fe-N3S-OH位点。理论计算表明,硫原子的取代和OH的吸附可以显著影响金属位点的电子结构,优化Fe位点对含氧物种的吸附强度,从而加速活性中心的ORR动力学。由于高活性位点和快速传质能力,该催化剂具有优异的ORR活性,在碱性电解液中,E1/2可达0.913 V。用于MFC中,它呈现出高功率密度(2485 m W m-2)和增强的稳定性（12个周期1780 h放电后电压保持率高达86%）。应用在ZAB中,该催化剂同样呈现出优异的催化性能(功率密度为306 m W cm-2;130 h三个循环后电压保持率为98%)。