全球范围内能源需求的增长以及化石燃料燃烧造成了生态环境日益恶化,高效且对环境友好的可持续能源储存和转化技术受到越来越广泛的关注,例如可再生燃料电池、金属空气电池等。然而,缺乏低成本、有效的、能够同时促进氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的双功能催化剂成为阻碍这些设备的商业化的关键因素。金属有机骨架（MOFs）是由固定的金属原子或金属原子簇与有机配体,通过强的配位作用形成的具有既定结构、空间无限延伸、有序网络状的多孔拓扑结构。通过高温热解,MOFs前驱体可以转化为金属基纳米颗粒、碳和多孔纳米结构的复合材料。复合材料具有良好的导电性、大的比表面积、暴露较多的活性位等特性,这些特性有利于电化学反应的进行。因此,以MOFs为模板,通过特定的方法制备高活性低成本的电催化剂引起了科研工作者的兴趣。本文以ZIF-67为单一前体,采用高温热解-低温氧化两步策略制备了一系列多级结构的钴基材料,并将其应用于ORR和OER电化学反应中。通过精确地控制氧化过程,合成了一系列N掺杂的中空多面体碳负载核壳、蛋黄、空心等结构的钴基纳米颗粒。得益于丰富的氧空位、处于四面体位丰富的Co²⁺、CoO_x和氮掺杂碳框架间的协同效应、有利于物质传输的中空碳框架等优势,Co₃O₄/HNCP-40表现出最高的OER活性,电流密度为10mA cm^-2时过电势为333 mV,Tafel斜率为69 mV dec^-1,超过了商业IrO₂(电流密度为10 mA cm^-2时过电势以及Tafel斜率分别为409 mV、104 mV dec^-1)。在ORR测试中,Co₃O₄/HNCP-40半波电位为0.834 V,展现出与商业Pt/C（20 wt%）相当的ORR活性,而且表现出比Pt/C更好的稳定性和甲醇耐受性。测试结果表明,Co₃O₄/HNCP-40是一种能够同时催化ORR和OER双功能催化剂。本文的研究结果不仅为以MOF为模板制备多级结构的纳米材料提供了新方法,而且有望为开发更加低成本、高效率的ORR和OER双功能催化剂提供新思路。