碳基纳米材料以其廉价易得、结构易构筑等特点,在电催化领域备受关注。碳材料一方面可以提供反应活性位点,直接用作电催化剂;另一方面,可作为载体负载减少贵金属的用量,提高贵金属利用率。在碳基催化剂的合成与应用中,其组分调控、电荷结构、形貌设计及构性关系已经成为具有重大意义的热点课题。本论文以提升氧气还原反应（ORR）、氧析出反应（OER）等催化效率为目标,通过对界面的调控,来优化碳基材料的电荷结构和形貌结构。例如,利用原子电负性差异,设计合成含有杂原子掺杂、M-Nx结构的材料,得以优化其表面电荷结构,改善反应物/中间体/产物的吸/脱附过程,提高催化活性位点的本征活性;同时,通过对界面结构和界面能的调控,对碳基催化剂的形貌及孔径结构进行优化,以增加暴露的活性位点数量,并改善传质过程。基于此,本文主要研究内容及结论如下:工作一:采用硬模板法合成了具有多孔自支撑结构和高比表面积的氮掺杂碳纳米笼（N-CCs）。通过探究不同碳化温度对材料比表面积、所含氮物种的变化规律,以及催化性能的影响,表明氮的引入为ORR/OER提供了催化活性中心;多孔笼状结构特点有利于电解质/反应物的扩散,从而促使活性位点更好的有效利用。该研究为杂原子掺杂型碳基催化剂的合成及构效关系研究提供了思路。工作二:在前一工作的基础上,引入Fe源,制得具有单分散Fe-Nx物种的Fe/N共掺杂碳纳米笼（Fe-NCCs）,并对其ORR活性位点进行了探究,通过控制物种变量实验和Fe-Nx的毒化实验,得出Fe-Nx物种与N物种具有协同效应,共同诱导了 Fe-NCCs表面的电荷分布转移。使其在碱性介质中的ORR催化性能与商业化Pt/C相当。工作三:以聚偏氟乙烯为氟源和模板,多巴胺为碳源和氮源,采用模板原位热解法合成了 N、F共掺杂的空心碳纳米球（NF-Cs）。由实验和理论计算结果,表明掺杂N的作用促进O2分子在催化剂表面的吸附,提高了催化活性;F原子的引入促进*OOH中间体的脱附,提高了催化剂选择性,使ORR以2e-反应路径为主,平均电子转移数为2.47。另外,由于其丰富的多孔结构、较大的表面积,NF-Cs在酸性/碱性介质中均表现出优异的H2O2电化学合成性能。工作四:以碗型多孔碳纳米材料（CBs）作为载体,负载Pd纳米粒子（Pd/CBs）。由于CBs具有高比表面积和丰富的含氧表面基团,有利于Pd纳米晶的均匀分散和锚定,减小Pd的粒径。碗状形貌和表面结构增加了 Pd/CBs纳米复合材料的电化学活性面积,优化了反应物和气体产物的传质过程,表现出优异的甲酸氧化（FAOR）催化活性。工作五:在工作四基础上,进一步合成N掺杂碳纳米碗（N-CBs）负载超细Rh纳米晶（Rh/N-CBs）。通过实验和理论计算,表明贫电子的吡咯N对Rh原子有较强的吸附作用,Rh电子云向吡咯N偏移导致其氢的吸附显著降低,进而降低了 HER反应活化能,显示了高效的HER催化活性;同时,该材料对肼氧化（HzOR）具有优异的催化性能,仅需0.2V的外加电压即可实现水合肼溶液电解产氢,显著降低制氢成本和能源消耗,是具有前景的电化学制氢双功能电催化剂。工作六:通简单的固态研磨多孔石墨烯包裹Co9S8纳米粒子-N、S共掺杂纳米碳管复合材料（Co/S/N-T）中,杂原子（N,S）的掺入产生了 ORR的活性位点,OER的活性主要归功于Co9S8纳米颗粒,包覆在Co9S8表面的石墨烯纳米层增强了电化学稳定性。ORR与OER之间的电势差为0.76 V,将其应用于锌-空气电池空气电极的双功能催化剂,性能优于商业化的Pt/C+Ir/C催化剂。