太阳能、风能、潮汐能等可再生能源电力具有不连续、不稳定特性,需要配套大规模储能设备。锌-空气液流电池安全性高、成本低、寿命长,是最理想的储能技术之一。但是锌-空气液流电池正极氧还原和氧析出反应动力学缓慢,导致电池能量转化效率低,急需开发廉价、高效的双功能催化剂。碳基催化剂具有优良的导电性,功能易调控,生产成本低等优势,但碳基催化剂活性位密度低,催化活性仍有待提高。本论文围绕非金属和非贵金属碳基双效催化剂展开研究,设计构筑高密度活性位点,并系统的研究了催化剂的结构与组成,探究了其催化氧还原与氧析出反应性能,主要研究成果如下:1.发展了主客体策略制备氮、硼共掺杂碳材料的方法。利用主客体的合成策略将含硼客体分子(苯硼酸)封装在沸石咪唑骨架ZIF-8的孔笼之中,通过调整苯硼酸比例,可以优化杂原子与碳原子的最佳配比,经高温热解制备一系列非金属碳基双效催化剂(B-N-C),并用于催化氧还原/析出反应。结果表明:苯硼酸中硼原子占ZIF-8中锌原子的比例为30%,经二步碳化,裂解温度在1100℃时,制备的催化剂(30%B-N-C-1100)具有最好的氧还原催化性能(E1/2=0.82 V vs.RHE)和氧析出催化性能(Ej=10mA/cm2=1.77V vs.RHE)。2.为进一步提高催化剂的氧还原与氧析出活性,在上述基础上,通过离子交换,利用铁置换ZIF-8骨架中的锌,研究了苯硼酸分子对铁物种结构与含量的影响。研究表明:当苯硼酸中硼原子占ZIF-8中锌原子的20%,添加50 mg的六水氯化铁时,可以避免金属原子团聚,使催化剂中铁负载量高达5.49 wt%,增加了活性位密度。同时,中空结构加强了传质,提高了活性中心利用率。因此制备的催化剂具有高效的催化性能,催化氧还原反应的半波电位为0.89V(vs.RHE),催化氧析出反应产生10 mA cm-2的电流仅需0.55 V的过电位。3.单原子铁含量的进一步提升。探索金属原子分散与团聚的临界点,深入探究客体分子与金属原子之间的作用关系。结果表明:苯硼酸分子可以与铁离子形成相互作用,可以防止铁在煅烧过程中的团聚。苯硼酸含量在20%,添加110 mg的六水氯化铁时,金属原子仍然处于高分散的状态,没有发生金属迁移导致团聚的现象,单原子铁含量可达8.65 wt%。