锂氧气电池拥有理论比容量高,绿色无污染,可重复使用等优点而被视为最有希望的下一代新能源系统,有望取代目前广泛应用于电子设备的锂离子电池为正在蓬勃兴起的电动汽车与混合动力车提供能源。然而,目前的锂氧气电池还存在实际比容量较低、过电势高、循环性能差等问题,这些因素严重影响了锂氧气电池的产业化应用。对于锂氧气电池来说,其电催化性能由多种因素共同影响,其中起决定作用的主要是氧气正极的催化与储能性能。高效的催化剂需要符合下面的要求:(1)大的比表面积,保证电解液与正极材料的充分浸润,并且具有足够的活性位点。(2)能够显著减小充放电过程的过电位,避免副反应的发生,提高库伦效率。(3)导电性好,保证电子的传输。本论文从两个不同的角度出发,分别构建了泡沫镍上生长的Ce02/Co3O4复合纳米线材料及二维层状类石墨烯结构的Ti3C2 MXene材料两个不同体系作为锂氧气电池的正极催化剂,希望通过对新型锂氧气电池正极材料的设计与优化,从而获得更好的催化性能。(1)本课题在泡沫镍上原位生长了 Ce02/Co304复合纳米线并对其进行锂氧气电池电化学性能测试。Co304由于具有高效的双功能催化能力和优异的稳定性,已被用作锂氧气电池的正极催化剂。而Ce02中的铈离子可以在氧化态和还原态(Ce3+和Ce4+)之间快速转换,一些Ce4+离子容易被还原为Ce3+离子和氧空位,并转移到晶体表面成为活性位点,从而吸附超氧自由基和降低电化学反应的活化能。因此,我们制备了一种以Co304复合纳米线作为基体,复合Ce02作为放电产物Li202初始的成核/分解位点的正极材料,从而使锂氧气电池具有可控的放电产物演化路径。本课题使用六水合硝酸铈、六水合硝酸钴及尿素作为反应物,用水热的方法使Ce02/Co304有机前体在泡沫镍上原位生长,通过后续煅烧,最终制备出Ce02/Co3O4复合纳米线。将在泡沫镍上生长的CeO2/Co304复合纳米线直接作为无碳和粘结剂的正极组装锂氧气电池进行电化学性能的测试。Ce02/Co304复合纳米线正极表现出良好的催化性能,有效的降低了充放电过程的过电势而且表现出超长的循环寿命。CeO2/Co3O4复合纳米线正极在放电容量上相较于其他无碳电极有了较大提升,而且在500 mA g-1的高电流密度和500 mA h g-1的截止容量下稳定循环超过500圈。同时我们使用SEM、XRD、TEM、DEMS和非原位XPS等方法对锂氧气电池放电产物的产生与分解过程做了系统的分析,研究了锂氧气电池性能与Ce02/Co304复合纳米线组成,微观形貌与结构之间的关系,为过渡金属氧化物在锂氧气电池中的应用开拓了更多的思路。(2)本课题还对Ti3C2 MXene材料作为锂氧气电池正极催化剂的电催化性能进行了探索。MXene作为一种新型的类石墨烯层状结构的材料,已经在超级电容器、太阳能电池、锂离子电池等催化及储能领域取得了一些突破。而对于锂氧气电池来说,也有研究预测了 MXene材料对于放电产物具有较强的吸附性能,因而可以有效降低电化学反应的过电势。因此,我们合成了 Ti3C2 MXene材料并将其作为锂氧气电池正极催化剂,对影响Ti3C2 MXene电催化活性的不同因素进行分析,筛选出最适合的条件来将Ti3C2 MXene材料应用于锂氧气电池,获得了优异的容量及循环性能。实验以Ti3AlC2为原料,通过锂离子插层刻蚀及超声剥离的方法分别制备了具有多层和少层结构的M/F-Ti3C2 MXene正极催化材料,与不同电解液体系进行耦合,筛选出具有最高活性的电解液体系,测试锂氧气电池正极的容量、倍率及循环性能,研究微观形貌、结构组成、比表面等因素对Ti3C2 MXene正极电催化性能的影响。此外,通过SEM、XRD、TEM、DEMS和非原位XPS等方法进一步对电池反应机理进行分析,获得电催化反应的过电势、路径、速率和得失电子数等信息,掌握放电产物在电池循环中的演变过程,进一步优化锂氧气电池电化学性能,推动新型MXene材料催化剂在锂氧气电池领域的实际应用。