当今社会对能驱动驾驶距离更长的电动运载工具的先进储能和转换设备有着巨大的需求。可充电锂氧气(Li-O2)电池,有时也被称为锂空气电池,因其可以提供比目前先进的锂离子电池更高的能量密度,已经成为最有前途的选择之一。在2009年,IBM公司决定推出“电池500”项目,其目标就是开发一种Li-O2电池,该电池让汽车行驶在500英里。但锂空气电池的实际应用目前仍受到几个关键因素的限制,例如严重的极化现象、过电势偏高、循环稳定性差、能量转换效率低及金属锂负极容易腐蚀等问题。研发和优化锂氧气电池的正极催化材料有助于改善和提高其电池电化学性能,促进锂氧气电池应用的发展。稳定高效的正极催化剂材料可以有效促进锂氧气电池滞后的氧化还原反应动力学,降低电池过电势,提高能量转换效率。过渡金属氧化物因其优异的催化性能、多样的电子结构、易调控的微观形貌、绿色环保、储量丰富的特点,已经在能源、催化、电磁等领域得到广泛的研究和应用。正极催化材料的微观形貌对锂氧气电池性能有很大影响,此外调节正极催化材料的组成和电子结构能对锂氧气电池中放电产物Li202的形成和分解产生巨大影响,从而影响其形貌和最终的电池电化学性能。本课题主要着手于单一金属的Co及其氧化物和双金属尖晶石结构的NiFe2O4的电极结构设计和在用于催化剂时对过氧化锂生成形貌和生长分解机理的探究,从而优化材料获得最佳性能。本论文主要研究内容如下:(1)本文介绍了一种一维CoO/Co-N-C纳米纤维用于高效锂氧气电池正极催化材料,进一步研究了其电化学性能的各种表现和相应的反应催化机理。采用静电纺丝方法,通过一步热处理,制备出一维碳纳米纤维包覆Co和CoO颗粒的复合材料,并用于锂氧气电池催化剂的研究。经过初步试验和实验结果论证,静电纺丝合成的一维CoO/Co-N-C结构在锂氧气电池中具有良好的催化性能,探究了其对促进过氧化锂生长和分解的机理,并调节合成条件得到最优的材料结构和电化学性能。得到的最优材料在100 mA g-1电流下表达出优异的容量,为8798.6 mAh g-1,且在600 mAh g-1的容量限制下具有140多个循环的优异稳定性。(2)本文介绍了一种超组装合成的反尖晶石结构NiFeO的正极催化材料,并进一步研究了其电化学性能和反应机理。采用超组装模板牺牲法,并进一步通过烧结去除模板使其结晶,制备具有多级孔的反尖晶石结构铁酸镍。通过调节烧结温度从而调节材料本征八面体含量,进一步探究了过渡金属氧化物中电子结构对材料表现的催化活性影响,最终获得了 23413 mAh g-1的大比容量和在1000 mA g-1的大电流下的193个循环,500mAg-1电流下的300个循环的优异性能。本工作为设计具有精细电子和框架结构的锂氧气电池高性能过渡金属氧化物基催化剂提供了内在的见解。