传统化石能源因过度使用带来的日渐枯竭和环境污染问题日益严重,发展清洁、可持续的新一代能源储存和转换系统用以取代传统的化石能源成为了未来工业发展的必经之路。燃料电池、金属-空气电池、电解水技术等工艺已成为电化学新能源技术的代表,然而由于所涉及的氧气反应——氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）均为动力学缓慢的过程,因此高效氧气反应电催化剂的开发是促进这些新能源科技发展的核心。贵金属电催化剂例如Pt、Ru02/Ir02在氧气反应电催化方面具有非常高的活性,然而高昂的成本,地球上过低的储量以及在实际应用中的低稳定性等不利因素促使开发廉价高效的新型氧气反应电催化剂成为当下的研究热点。石墨烯（graphene）和金属有机框架（MOFs）类材料在近些年的研究中已成为有望取代贵金属催化剂用于氧气反应的热门候选,然而杂原子掺杂型graphene的掺杂量不易控制,MOFs碳化后制得的复合材料导电性有待提高且碳化过程耗能大等诸多问题也亟待解决。本论文首先以碳材料graphene和MOFs为出发点,具体研究工作包括以下方面:（1）利用有机小分子4-硝基重氮苯四氟硼酸盐（4-NBD）与graphene表面存在的sp2碳原子进行反应,使硝基苯分子对graphene片层表面进行掺杂。经过多种物理表征证实硝基苯分子成功以共价的形式掺杂于graphene之上。通过电催化性能测试研究发现在使用4-NBD与graphene的质量比为1:20的条件下可以获得最优的催化性能。凭借硝基苯分子所具有的强吸电子能力,诱导了石墨烯表面电荷分布发生改变从而使得graphene的ORR电催化活性明显的提高,该项研究为掺杂型graphene应用于ORR电催化剂开辟了新的思路,进一步拓宽了非金属催化剂研究的发展方向。然而,制备的非金属催化剂的本征催化活性距离商业化Pt/C电催化剂还有一定的距离,因此将过渡金属化合物与graphene进行复合成为提高其电催化活性的一条有效途径。（2）利用NH₃等离子体对graphene与Co₉S₈的复合材料进行处理,证实NH₃等离子体不仅可以对Co₉S₈纳米晶体和graphene进行掺杂,还对Co₉S₈和graphene的表面有一定刻蚀作用。电催化性能测试结果显示掺杂作用有效地调节Co₉S₈和graphene的电子特性从而提高其导电性和电催化活性,表面刻蚀作用诱导产生了更多的缺陷而使得更多的边缘催化活性位点暴露出来,也因此获得了具有ORR和OER双功能催化活性的复合材料。处理后的复合材料具有与商业化Pt/C相媲美的ORR电催化活性以及较好的OER催化性能。（3）将Co₃O₄纳米颗粒预先包覆于ZIF-67之中,通过在惰性气体的保护下进行高温裂解处理,获得了碳纳米管/多孔碳（CNT/PC）包覆金属Co复合材料。研究探讨了 Co₃O₄纳米颗粒对高温处理的产物形貌及其电催化活性的影响,实验结果表明高温处理过程中包覆的Co₃O₄首先被碳热还原成生长CNT的催化剂金属Co,成为CNT生长的必需环节。而ZIF-67中的金属中心Co与部分配体分解产生的N结合形成Co-Nxc结构,成为了电催化ORR反应的高效活性中心。由于CNT的存在,提高了杂化复合材料的导电性并且进一步增强其ORR和OER电催化性能。利用该复合材料作为可充电锌-空气电池阴极催化剂的研究结果显示该电池具有优异的充放电电压平台以及优于Pt/C和RuO₂复合催化剂的稳定性。虽然制备出的Co-CNT/PC具有非常优异的电催化活性,但高温裂解碳化的方式获得的产物避免不了高能耗的过程,因此,我们将通过对ZIF-67进行室温条件下等离子体处理,并考察其电催化活性的提高情况。（4）利用O₂等离子体在室温下对ZIF-67其进行处理。TEM、XRD、XPS、HADDF-STEM、XANES等表征手段证实等离子体处理之后在ZIF-67载体中原位制备出具有高OER电催化活性的原子级尺寸的CoOx。研究结果表明ZIFs中的Co离子原本以Co-N配位键的形式与有机配体构建成MOFs骨架,由于等离子体的刻蚀作用部分Co-N配位键发生断裂,随后该体系在O₂存在的条件下发生了氧化作用,因此实现了原子级尺寸CoOx为的生成。电化学测试结果显示,形成的CoOx在碱性电解液中具有优异的OER电催化活性,当与导电剂相互复合后其性能甚至优于商业化的RuO₂,而优异的运行稳定性也为该催化剂未来应用于电解水技术和金属-空气电池之中提供了保障。该研究工作也第一次证明通过等离子体对MOFs基底材料进行活化,从而原位制备原子级尺寸的物种作为电催化活中心是一条新颖简便的制备高性能电催化剂途径。