锌-空气电池既可以满足动力电池的高能量密度,又可以满足消费型电池的柔性、安全性和便携性。氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是锌-空气电池中两个重要的正极反应,贵金属（Pt、Ru、Ir）基催化剂具有最优异的ORR和OER活性,但是其差的稳定性、高昂的成本限制了能源技术的发展。因此,开发高效、稳定、低成本的非贵金属双功能ORR/OER催化剂对于锌-空气电池的商业化至关重要。此外,结合原位表征技术,深入阐明催化剂的ORR和OER过程,认识氧电催化剂的设计原则也是十分有意义的。由于Fe系金属（Fe/Co/Ni）和碳纳米材料均具有优异的催化活性和廉价的成本,将两者结合可进一步提高电催化活性及稳定性。本论文以研发高效、稳定的氧反应电催化剂为目标,构筑Fe系金属与碳纳米管、石墨烯等碳材料复合的ORR、OER催化剂,并构建了高性能锌-空气电池。利用原位X-射线吸收谱（XAFs）、X-射线光电子能谱（XPS）等表征手段,深入探究充放电机制。主要的研究内容如下:1、由于电荷密度和电子自旋的差异,硫/氮掺杂的碳基催化剂具有优异的ORR/OER双功能电催化活性。以Co Ni普鲁士蓝为模板,结合化学气相沉积和室温硫化策略制备了硫氮共掺杂碳包覆的Co Ni纳米粒子（RS-Co Ni-Box@CNTs）,并将其作为双功能氧反应电催化剂。结果表明硫掺杂具有刻蚀作用,提高了催化剂的比表面积、暴露了更多的活性位,优化OER性能的同时还提高了ORR的极限电流密度。将其组装成可逆锌-空气电池,测试了电池的循环稳定性。2、碳纳米管与石墨烯纳米片组装的3D结构有利于传质传荷,进一步与Co Fe催化剂可用于双功能氧反应催化剂。采用三聚氰胺作为碳源和氮源,Co Fe合金作为CNTs的催化生长中心,氧化石墨为生长基底,合成了碳纳米管和石墨片层结构相纠缠的三维网络结构Co Fe/N-GCT。对Co Fe/N-GCT催化剂的ORR/OER活性进行研究,并组装了液态可逆和柔性固态锌-空气电池。结果表明电池具有高能效和超稳定的特性,并通过原位XAFs证明ORR和OER的活性位分别在Fe和Co物种上,Fe/Co双金属协同作用使得Co Fe/N-GCT催化剂具有优异的双功能活性。3、通过锌辅助的外延生长策略制备了双金属沸石咪唑骨架（ZIFs）衍生的海胆状Co Zn-NCNTs,将其作为ORR催化剂用于锌-空气电池正极反应。氮掺杂的碳纳米管（CNTs）和嵌入的Co纳米粒子的协同作用赋予了Co Zn-NCNTs催化剂具有优异的ORR活性及稳定性。组装的锌-空气电池具有较高的功率密度、优异的倍率能力和长期稳定性。4、目前,锌-空气电池的效率普遍达不到65%,难以再做突破,探索新型正极是解决当前形势的必然策略。为了进一步提高锌-空气电池的效率和循环稳定性,我们制备了Ni Fe水滑石作为OER材料并与ORR催化剂（Co Zn-NCNTs）匹配用作空气正极。通过引入Ni²⁺/Ni³⁺氧化还原电对,将锌-空气电池和锌-镍电池的电化学反应结合起来,用于构建高效率新型杂化电池,同步解决电池发生水淹、水蒸发时锌-空气电池无法稳定运行的问题。离线XPS进一步揭示了Ni-O?Ni-O-O-H在充电/放电过程中的转变过程和杂化电池的运行机制。结果表明,在10 m A/cm²的电流密度下,杂化电池具有超高的能量效率（79.2%）和环境适应性。