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氧气还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)由于其缓慢的动力学过程,成为制约燃料电池和金属-空气电池发展的重要因素。为了提高氧还原反应速率,高效而又稳定的催化剂是必不可少的,目前对ORR性能最好的催化剂是贵金属铂(Pt),但是由于其价格昂贵、资源匮乏以及稳定性差等缺点限制了它的商业化应用。因此开发性能优异、稳定性好且资源丰富的非贵金属催化剂,成为当前的一个研究热点。尖晶石型或钙钛矿型氧化物由于其晶体结构的独特性、种类的多样性以及性能的优异性,有望成为新型的氧还原催化剂。本文通过快速凝固技术制备Al基前驱体合金,将前驱体合金在碱液中进行去合金化处理,随后在一定温度下退火,成功制备出比表面积高且具有优良催化性能的纳米结构尖晶石/钙钛矿型氧化物。首先,通过快速凝固技术制备Al95Mnn5二元前驱体合金,然后在一定浓度NaOH溶液中对Al95Mn5前驱体合金进行去合金化处理,并将腐蚀后产物在一定温度下退火,通过X射线衍射(XRD)、电子显微镜(SEM、TEM、HRTEM、STEM)以及X射线光电子能谱(XPS)等分析发现,获得了具有纳米片状结构的Mn2A104尖晶石型氧化物,比表面积测试(BET)结果表明,由于超薄纳米片的存在和纳米片上大量纳米孔隙的出现,使该氧化物具有高的比表面积。电化学测试结果表明,Mn2AlO4氧化物在0.1 M KOH电解质溶液中具有优异的ORR性能和甲醇耐受性。不同转速下的RDE结果和RRDE结果表明,在0.1 M KOH溶液中,发生在Mn2AlO4催化剂表面的氧还原反应过程为4e-反应机制。同时,我们利用密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算对氧还原反应的4e-反应过程进行模拟。通过HOOH分子在Mn2AlO4(001)表面的吸附情况,进一步证明Mn2A104表面发生的是4e-反应。另外,通过CH30H分子在Mn2A104(001)表面的吸附结果解释其具有甲醇耐受性的原因。其次,通过合金设计与成分调控制备Al95.5Fe3M1.5(M = Co、Mn或Ni)三元前驱体合金,随后通过去合金化/退火技术,获得具有高比表面积的纳米尺度MFe2O4系列尖晶石氧化物。电化学测试结果表明,该系列氧化物在0.1MKOH溶液中均具有优异的ORR性能,它们的性能优劣依次为:CoFe204>MnFe204>NiFe2O4;另外通过测试这三种催化剂在碱性溶液中的析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)线性曲线,发现它们均具有优异的OER性能,性能优劣依次为:CoFe2O4 ≈ NiFe204>MnFe2O4。对比结果我们发现,不同元素(Co、Mn、Ni)的添加会改变氧化物的电子结构,从而影响其催化性能。另外,结合实验和DFT计算,均证明MFe204不仅具有优异的甲醇耐受性,而且其氧还原反应过程均为4e-反应机制。随后,通过合金成分设计和调控制备Al94.8Mn5Pt0.2三元前驱体合金,然后使用去合金化/退火技术,获得了具有低Pt载量的Pt/(Mn,AI)3O4金属/金属氧化物型复合材料,物相分析及微观结构表征结果显示,Pt呈纳米多孔状分散在纳米片状(Mn,Al)3O4基底上。分析结果表明,由于Pt与(Mn,Al)3O4之间具有强烈的金属衬底相互作用(strong metal support interactions,SMSIs)及电子效应的存在,使Pt/(Mn,Al)3O4复合材料具有优异的氧还原催化性能。电化学分析结果表明:与商用Pt/C相比,Pt/(Mn,Al)3O4在0.1 M KOH溶液中的质量活性提升了 11.5倍,而且Pt/(Mn,Al)3O4具有更加优异的甲醇耐受性。同时,RDE、RRDE测试和DFT计算结果均表明Pt/(Mn,Al)3O4在0.1 M KOH溶液中的氧还原反应为4e-反应过程。最后,通过新颖的成分设计和快速凝固技术制备Al88La6M6(M = Co、Mn、Ni或Cr)三元前驱体合金,结合去合金化/退火工艺,获得了具有高比表面积的纳米多孔LaMO3系列钙钛矿型氧化物。电化学测试结果表明在0.1 M KOH溶液中,LaMO3氧化物不仅具有优异的ORR性能,而且具有一定的OER催化活性,且不同元素的添加对其催化性能具有明显的影响。另外,通过在0.1 MKOH溶液中加入不同浓度的甲醇溶液,发现对LaMO3氧化物的催化作用没有明显的影响,说明该系列钙钛矿型氧化物具有优异的甲醇耐受性。同时,RDE、RRDE测试以及DFT计算结果表明LaMO3氧化物在碱性溶液中是4e-反应路径。