二次锌空气电池具有绿色无污染、高安全性、高能量密度以及低成本等优点,被视为一种环境友好型的能量储存与转化设备。然而,尽管锌空气电池的历史已接近150年,却鲜有成熟的二次锌空气电池产品投入市场。究其原因,（1）正极广泛采用贵金属（铂、钌、铱等）催化剂,其高成本、低储量以及弱稳定性等缺点导致二次锌空气电池性能远不能达到实际使用要求。（2）有机粘结剂的老化严重降低了电池的循环寿命。（3）目前锌金属负极的利用率（放电深度）极低,绝大多数研究中采用锌片作为负极,放电深度不超过1%,严重降低了锌空气电池的实际能量密度,并伴有析氢和钝化,降低电池的使用寿命。为此,本研究立足于传统的胶体晶体模板法,一方面创新地利用过渡金属的自催化效应,在导电基底上构筑具有三维有序连通多孔结构、负载了过渡金属活性位点（MNx）的碳基双功能电极,探究其氧催化反应机理以及在二次锌空气电池领域的应用。另一方面利用三维有序连通多孔结构对电场的调控作用,构建均匀分布的形核位点,实现锌的均匀电沉积,并作为锌空气电池负极。主要研究内容和结论如下:锌空气正极的主要构成为:催化剂、气体扩散层、集流体和粘接剂。其中,粘接剂起到连接催化剂和基底的作用,其存在将提高电池内阻并降低电池的使用寿命。为避免有机粘结剂的使用,本文在碳纸基底上原位制备了三维有序连通多孔催化剂。将金属有机框架（Metal-Organic Frameworks,MOF）材料前驱物填充在二氧化硅正模板的孔隙之中,基于MOF对过渡金属的锚定作用,限制了碳化过程中过渡金属原子的热扩散,形成具有均匀分布活性位点（Co Nx）的三维有序连通多孔结构。通过调控MOF中过渡金属含量以及电极厚度,实现了1.04 V vs RHE的ORR起始电位,以其作为锌空气电池正极,具有高功率密度(150 m W cm-2),高比能量(964.2 W h kg-1),以及优异的循环性能(10 m A cm-2充/放电电流下,730次循环)。为了提升催化剂与导电基底的结合力,本研究创新地利用预先沉积在碳纤维表面的金属镍作为碳纳米管的生长位点,并通过二氧化硅模板的限制作用,避免了碳纳米管在生长过程中的团聚和打结现象,在碳纤维上形成均匀分布的碳纳米管。而金属镍在高温活化下形成Ni N2双功能氧催化活性位点,结果显示750°C时,活性位点浓度最高,为最佳活化温度。均匀分布的碳纳米管促进了ORR和OER过程中的物质输运,高浓度的Ni N2活性位点有效的降低了O2分子的吸附能。基于其构建的锌空气电池实现了超长的循环寿命(10 m A cm-2充/放电电流下,2250次循环)。尽管在碱性条件下,由于较高的氧溶解度,催化剂的活性更高,但碱性电解液在高电位下（充电时）对碳材料具有强烈的腐蚀作用,同时造成锌负极析氢,降低锌空气电池的使用寿命和库伦效率。本研究将纳米镍沉积在二氧化硅球表面,并利用纳米镍的自催化效应,形成具有三维有序连通多孔结构的碳骨架,并通过长时间的高温活化,使纳米镍转化为Ni N4活性位点。结果表明,Ni N4可在中性条件下高效催化ORR和OER,在低电流放电时(1 m A cm-2)中性锌空气电池可实现超过570次的循环。为解决锌负极在循环过程中锌的不均匀沉积/剥离的问题,提升放电深度。本研究制备了一种三维有序连通多孔镍,并在其表面包覆MOF保护层。结果显示,在包覆MOF后,电极析氢过电位升高而锌沉积过电位降低,表明其具有抑制析氢和诱导锌沉积的作用。而三维有序连通多孔结构有效地优化电场分布,降低局部电流密度,实现了锌的均匀致密电沉积。以其作为锌空气电池负极,功率密度达到55 m W cm-2,比容量为741.2 m Ah g-1,在放电深度为41.7%下可稳定循环200次。