目前,人类社会面临严重的化石能源危机和环境污染问题,这些问题已经极大地威胁人类社会的可持续发展。而减少化石燃料使用依赖于电催化能源转换和电化学储存设备的大规模应用。目前,限制这些设备性能的重要反应之一是氧还原反应,而氧还原反应的动力学十分缓慢,为了加速氧还原反应化学反应动力学,一些贵金属催化剂如Pt,Pd等被开发出来,实现高效率电化学反应。但是它们的稀缺性和高昂的价格仍然阻碍了其规模化应用。因此,高效的非贵金属或者非金属电催化剂的设计和合成极大的受到了人们的关注。本论文主要设计制备了一系列廉价金属基电催化剂,并通过结构设计优化提升了材料在电催化氧还原转化反应中的活性。主要内容如下:（1）MOF基催化剂:材料的形貌往往决定着材料的性能,而MOF的配体也决定着材料的形貌,所以我们通过使用不同的配体调控MOF的形貌。本章分别对比了4,5-二氰基咪唑（DCI）、对苯二甲酸（H2BDC）与硝酸铜配位成单配体MOF-DCI-Cu,H2BDC-Cu和双配体MOF-Cu,N-HCNF,首先形貌方面单配体MOF是微米立方体和纳米片的结构,但是双配体MOF是内部立方中空的微米花的形貌。由于两种配体相互作用,双配体MOF的尺寸为单配体MOF的十分之一,对MOF进一步碳化后的性能测试证明,双配体催化剂的催化性能明显优于单配体催化剂,而且双配体催化剂的稳定性和抗甲醇性能优于Pt/C。（2）双金属催化剂:我们利用金属钴在高温下可以催化碳前驱体成中空纳米管,将硝酸钴与4,5-二氰基咪唑水热制备MOF前驱体,进一步碳化制备端部封装钴颗粒的碳纳米管,探究不同碳化温度发现700oC下性能最优异。为了进一步提升材料的性能,我们掺杂了第二种金属Cu,性能得到了极大的提升,能够超过Pt/C,实验和理论结果证明Cu-N和Co-N之间存在着协同效应,是催化剂性能优化的主要原因,这种协同效应促使材料的稳定性和抗甲醇性能远远超过Pt/C。对催化剂的实用性进行测试,组装的锌空电池具有较好的性能,证明该材料具有广阔的应用前景。（3）二氧化钛与硼掺杂碳材料复合氧还原制备过氧化氢:氧还原过程的机理分为两种反应路径,一种是氧气还原成水,是四电子过程;第二种是氧气还原成过氧化氢,双电子过程。过氧化氢在漂白剂、防腐剂甚至火箭推动剂方面都有应用。在以往的研究中发现二氧化钛作为金属氧化物对于氧还原的双电子过程有良好的促进作用,我们利用一步水热法制备TiO2纳米管,然后与无定形碳进行复合,得到活性和选择性较为优异的催化剂TiO2@C,为了进一步提升材料的催化活性和选择性我们对材料进行了杂原子硼的掺杂,得到杂化后的催化剂TiO2@BC选择性（91%）和催化活性远超过商业炭黑（CB（59%））。