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燃料电池和金属空气电池，功率密度和能量转换效率高、无污染，为可再生能源提供了可行的转化和存储手段，在一定程度上缓解了当今世界的能源和环境危机。然而，氧还原和/或氧析出反应的动力学缓慢，严重制约了这些技术的转换效率，因此迫切需要催化剂加快反应速度。目前贵金属已经表现出较好的催化性能，但其资源匮乏、价格昂贵，大规模商业化应用受限。因此，开发高效、稳定、廉价的非贵金属催化剂具有十分重要的研究意义和紧迫性。本论文工作主要以碳基和过渡非贵金属基材料为研究对象，探索改善催化性能的方法。取得如下进展: 首先，通过增加基底成核活性位、提高ZIF-8成核速率、采用冻干后处理等技术，成功制备了三明治结构的GO/ZIF-8，碳化后转换为GNPCSs。合成方法和GNPCSs具有以下优点:(1)合成方法简单、高效，可拓展到合成其他种类的GO/MOF;(2)GO/ZIF-8中的ZIF-8致密、均匀分布，保证GNPCSs在催化过程中快速的电子传导;(3)GO/ZIF-8赋予GNPCSs优秀的特质，如大比表面积，丰富的孔道，合适的氮掺杂含量和类型，以及NPC与G之间较强的关联。因此，GNPCSs表现出优秀的氧还原活性和稳定性，并且在实际电池中表现突出。 其次，从“变废为宝”的理念出发，首次回收被腐蚀的不锈钢为一体化氧析出电极，通过电化学活化(EORC)提升该电极的氧析出性能。其中，性能提升主要归因于良好的电解液渗透能力，快速的电荷转移和丰富的活性位，且长循环导致的性能损耗可通过EORC恢复。同时，我们也验证了自然环境腐蚀的不锈钢也具有一定的氧析出性能，经过EORC活化后，性能明显提升，具有实际应用前景。 然后，从使用便捷性和降低成本出发，发展了一种温和、有效的策略合成Co9S8与NSPC复合物，并作为氧析出和氧还原双功能催化剂。Co9S8在NSPC上原位成核、生长保证了两者之间的紧密关联，实现了电荷快速转移，进而提升催化活性。因此，Co9S8/NSPC获得优异的性能（较正的氧还原半波电位和电子转移数接近4、较低的氧析出过电势和稳定性）。更重要的是，以Co9S8/NSPC为空气电极的锌空气电池获得了较低的放电/充电过电势和良好的稳定性。 最后，为进一步提升多功能催化剂的稳定性，制备了原位复合的FeM合金与NPC复合物，NPC不仅可提高金属颗粒的分散性，还能提供额外的高效活性位。受益于良好的导电性、大比表面积、丰富的孔道和活性位点，以及FeM与NPC之间紧密的关联，FeM/NPC获得优异的催化活性，包括较正的氧还原半波电位，较低的氧和氢析出过电势和较快的反应动力学。最重要的是，FeM/NPC电极可以让全电解水更方便、快捷、高效地进行，而且赋予锌空气电池较低的放电/充电过电势和优秀的循环稳定性，该设计方法大大降低了催化剂的制作成本。