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锂-空气电池具有较高能量密度、环境友好和节约资源等优点,已成为理想的储能设备之一。空气电极或氧电极作为锂-空气电池的主要反应场所,发生着复杂的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）过程,因反应动力学性能较差需要借助催化剂提升。常规的贵金属基催化剂（Pt、RuO2和IrO2）存在着价格昂贵、资源短缺和催化性能单一等缺点,限制锂-空气电池的商业化发展。针对这个问题,本课题设计并研制ORR/OER双功能铁族金属-氮族非金属-碳（M-NM-C）基催化剂并对其电催化性能进行了研究。本文利用固相法、重结晶法和静电纺丝法分别制备了块状、片状和纤维状的钴氮共掺杂碳（Co-N-C）催化剂并研究了其电催化性能,其中,钴氮共掺杂碳纳米纤维（Co-N-CNFs）催化剂具有三维网状结构、较大比表面积(175.1 m2g-1)以及较多缺陷结构（ID/IG=1.17）,呈现出较好的ORR/OER催化性能,ORR起始电位、OER起始电位以及ORR/OER电位差值(ΔE=E-210 mA cm-E-2-1 m A cm)分别为0.874、1.667和0.916 V,这是由于有效调控微观形貌和比表面积有助于改善催化活性位点的分布和利用率从而提高催化剂的催化性能。同时研究了Co/N摩尔比对Co-N-CNFs催化剂的催化性能的影响,研究发现,在保留原有三维网状结构的前提下,增加氮元素含量可以改善催化剂的催化性能。非金属元素是M-NM-C催化剂的催化活性位点的重要组成部分,并且非金属元素之间不同的电负性和离子半径将导致催化剂具有不同的氧气吸脱附位点和催化活性位点,从而对催化剂的催化活性产生不同的影响。因此,通过改变非金属元素种类分别制备了钴磷共掺杂碳纳米纤维（Co-P-CNFs）催化剂,与Co-N-CNFs催化剂相比,Co-N-CNFs催化剂仍然具有较高的ORR起始电位,而Co-P-CNFs催化剂具有较低的OER起始电位（1.659 V）,表明改变非金属元素的种类对催化剂的催化活性产生不同的影响。采用非金属共掺杂的方式制备了钴氮磷共掺杂碳纳米纤维（Co-N-P-CNFs）催化剂,与Co-N-CNFs和Co-P-CNFs催化剂相比,Co-N-P-CNFs催化剂具有均一的纤维形貌、较大比表面积(214.0m2g-1)以及较多缺陷结构（ID/IG=1.21）,并且呈现出略高的ORR起始电位（0.876V）、略低的OER起始电位（1.652 V）以及略小的ORR/OER的电位差值（ΔE=0.884V）,表明改变非金属元素种类和组成未显著提高催化剂的ORR/OER催化活性。由于M-NM-C催化剂中金属元素不仅可以与吡啶氮形成M-Nx催化活性位点,而且可以嵌入到碳骨架中形成额外的催化活性位点,由此影响着催化剂的催化活性。因此,通过改变金属元素种类分别制备了铁氮共掺杂碳纳米纤维（Fe-N-CNFs）和镍氮共掺杂碳纳米纤维（Ni-N-CNFs）催化剂。与Co-N-CNFs催化剂相比,由于铁、镍和钴元素的固有属性存在差异,相应的催化剂也呈现出不同的金属元素存在形式、微观形貌、比表面积以及ORR/OER催化性能,其中,Co-N-CNFs催化剂具有较高的ORR起始电位,而Ni-N-CNFs催化剂具有较低的OER起始电位（1.584 V）,表明金属元素的种类对催化剂的催化活性同样存在影响。采用双金属共掺杂的方式制备了铁镍氮共掺杂碳纳米纤维（Fe/Ni-N-CNFs）催化剂,与Fe-N-CNFs和Ni-N-CNFs催化剂相比,Fe/Ni-N-CNFs(尤其是Fe0.5Ni0.5-N-CNFs)催化剂的比表面积(252.3 m2g-1)和碳骨架中缺陷结构数量（ID/IG=1.50）均得到显著增加,并且呈现出较高的ORR起始电位（0.903 V）、较低的OER起始电位（1.528 V）以及较小的ORR/OER电位差值（ΔE=0.796 V）,表明Fe/Ni-N-CNFs催化剂中Fe/Ni合金的协同作用显著提高催化剂的ORR/OER催化活性。为了进一步提升催化剂的ORR/OER催化活性,在Fe0.5Ni0.5-N-CNFs催化剂的基础上与另一种双功能催化剂钙钛矿型氧化物La1-xSrx Co1-y-y FeyO3-δ（LSCF）制备复合催化剂。通过对LSCF催化剂的形貌和元素组成进行优化,发现La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ（LSCF-6482）催化剂具有由纳米棒构建的三维网状结构以及最佳的元素组成,从而呈现出较好的催化活性。通过共混烧结的方式制备了Fe/Ni-N-CNFs/LSCF复合催化剂,当两种催化剂质量比为1:1时,复合催化剂呈现出较高的ORR起始电位（0.914 V）、较低的OER起始电位（1.512 V）以及较小的ORR/OER电位差值（ΔE=0.659 V）,表明两种催化剂之间的协同作用有效提高了复合催化剂的ORR/OER催化性能。