高能量密度和环境友好型的锂空气电池,是目前备受瞩目的电化学储能电池之一。其理论能量密度（～3500 Whkg-1）几乎是锂离子电池（～300 Whkg-1）的十倍以上。然而,实用性锂空气电池的开发仍面临诸多挑战,其中包括工作机理的深入解析,电池结构与电极材料的合理设计,以及开放环境工况中的实际应用等。其中,空气阴极材料的选择及其结构和孔道设计对锂空气电池能量密度和使用寿命具有显著影响。因此,具有高活性和稳定性的新型阴极材料的研究,对于锂空气电池的进一步发展和应用具有重要的现实意义。本文主要根据锂空电池阴极对于催化剂材料的要求出发,设计和制备了三维石墨烯和多配体金属MOF衍生碳纳米管催化剂,并对催化剂掺杂、复合和修饰提升空气阴极催化性能。通过各种物性表征技术和电化学测试对材料的特性和电化学性能进行测试表征,深入研究了电池催化反应的作用机理,为之后的相关研究提供了基础和借鉴,主要内容如下:（1）以氧化石墨烯为原料,采用交联及还原技术制备了高比表面积的氮掺杂三维石墨烯材料;然后采用水热-还原技术在三维石墨烯表面负载了 Ru的原子簇,制得了一种三维N掺杂石墨烯负载Ru催化剂（RuNC/3DNG）。研究结果表明,该催化剂中石墨烯的三维交联结构不仅有利于Ru的高度分散形成团簇,而且能够提供足够的三维空间容纳放电产物;石墨烯中活性N含量的增加和Ru纳米团簇的高分散有利于增强催化剂的电化学活性。电池测试结果表明:以RuNC/3DNG为阴极的Li-O2电池在电流密度为100 mA g-1的放电条件下,放电比容量可高达23922 mAh g-1,充电过电势仅为0.89 V,限定容量为1000 mAh g-1时,能够在较低的电压下稳定循环200圈。（2）在成功制得RuNC/3DNG的基础上,尝试引入少量过渡金属Co,并进一步降低Ru的载量,制得了一种单原子Co掺杂和Ru纳米簇负载的三维氮掺杂石墨烯催化剂。该催化剂中,Ru的负载量可降低至8.82 wt.%,大幅度降低了催化剂的贵金属用量和催化剂的成本。STEM和XAFS分析发现:金属Co以单原子的形式掺杂于石墨烯材料中形成Co-N-C活性中心,同时,Co的引入还改变了 Ru的电子分布的结构形态。电池测试结果表明,和以RuNC/3DNG为空气阴极的电池相比,RuNC/CoSA-3DNG表现出了优异的倍率性能和循环稳定性,当电流密度为1000 mA g-1时,电池的放电比容量仍高达12362 mAh g-1且充电过电势仅为0.85 V,同时在限定容量为1000 mAh g-1时,能够在300个周期内稳定循环。XPS和产物表征结果表明Ru电子状态的改变影响了放电产物Li2O2的形成和分解,从而使电池性能得到提高。（3）利用硝酸镍刻蚀ZIF-67得到的层状双金属氢氧化物作为金属前驱体,然后抽滤该金属前驱体和氧化石墨烯的分散液得到复合薄膜,经过真空冷冻干燥、高温硫化及热裂解,制得了一种含有双金属硫化物和石墨烯的薄膜材料并作为自支撑阴极应用于Li-O2电池。由于避免了粘结剂和碳纸造成的影响,材料本身又具有相对规整的多孔结构支撑,有利于充放电过程中物质和电子的传输以及放电产物的均匀沉积;在石墨烯表面形成了竖立的衍生碳纳米管有利于催化活性位点的分散,以及减少放电产物的团聚,使其在充电过程中更容易分解,从而使得阴极材料表现出了优异的循环稳定性,可实现长达496圈的稳定循环。（4）通过水热法首次合成以2,2’-联咪唑、1,3,5-均苯三甲酸为配体、以Co2+为中心离子的金属有机框架配合物,并将其和一定量的三聚氰胺混合热分解,制得了多原子（N,O和Co）共掺杂的碳纳米管交联的三维网络结构（Co（L1/L2）-CNT）,采用此网络结构体催化剂为阴极的锂氧电池表现出了优异的电化学性能,其放电容量可高达21842 mAh g-1,在限定容量1000 mAh g-1的条件下,能够稳定循环300圈。通过物性表征和分析可以发现,碳纳米管构建的三维网络结构使得催化剂具有更多的活性位点暴露,能够为放电产物提供足够的存储空间;N、O和Co原子的共掺杂使得催化剂具有良好的ORR和OER活性,可使得放电产物充分分解,同时减少催化剂活性位点的腐蚀,从而有效提高了电池的循环稳定性。