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在储能领域中，锂-空气电池因具有极高的理论能量密度得到人们越来越广泛的关注。但是锂-空气电池的发展仍处于初级阶段，在实际应用的过程中许多科学和技术上的问题还没解决，包括正极材料不稳定，放电产物堵塞正极孔道，氧还原和氧析出动力学缓慢等等。所有的这些问题导致了电池性能衰减或电池失效。为了解决上述的问题，本论文围绕着正极结构设计与表征开展了一些工作。我们通过优化实验方案调控材料的形貌和微结构，调控材料的成份，构筑具有良好催化活性和机械稳定性的一体化电极。最终基于这些电极的锂-空气电池具有良好的电化学性能。同时为了方便研究者及时地了解锂-空气电池的发展情况，又以综述的形式总结了正极稳定性、催化剂在锂-空气电池中的应用与发展。此外，考虑到锂-空气电池和燃料电池在反应机理上的相似性，将工作拓展到燃料电池领域，并制备和研究了一种碳基非贵金属材料催化剂。研究工作主要集中在以下几个方面: 1.在锂-空气电池领域中，首次证明了可以通过调控正极表面性质进而优化Li2O2的生长与分解路径从而优化了锂-空气电池的一系列性能。以碳纳米管和RuCl3为原料制备二氧化钌负载碳纳米管作为高效、稳定的锂-空气正极材料。实验结果显示，相比纯碳纳米管，二氧化钌负载碳纳米管正极可以有效地改善Li2O2的生长和分解路径，从而显著地改善锂-空气电池的电化学性能。相比基于纯碳纳米管正极的锂-空气电池，基于二氧化钌负载碳纳米管正极的锂-空气电池具有更高的放电比容量和能量转换效率以及更好的循环稳定性等等。 2.空气正极是锂-空气电池组成的重要部分，空气正极的性质会影响到锂-空气电池的性能。据报道，碳材料在锂-空气电池中容易被氧化，进而产生副产物，恶化影响电池性能。为了解决这个问题，我们利用水热和热处理方法制备了一种高效的CeO2@NiCo2O4阵列非碳正极。同时，我们也制备了NiCo2O4阵列空气正极用作对比正极。相比基于NiCo2O4阵列正极的锂-空气电池，基于CeO2@NiCo2O4阵列正极的锂-空气电池具有较低的过电位，较高的放电容量和良好的循环稳定性。同时，我们还发现负载的CeO2颗粒可以改变调控放电产物的形貌并提高氧还原和氧析出性能。 3.一种理想的空气正极应该具有充足的孔道，有利于传质。同时也需要具有高的催化活性，以此提高反应速率。我们通过实验证明了正极形貌和正极成份对锂-空气电池性能的影响。利用电沉积技术和光还原技术，我们用钯颗粒修饰NiO阵列片制成了Pd@NiO纳米片/泡沫镍一体化正极。受益于Pd@NiO纳米片/泡沫镍一体化正极在传质以及催化活性方面的优势，基于Pd@NiO纳米片/泡沫镍一体化正极的锂-空气电池具有一系列优良的性能，例如，较高的能量转换效率和良好的循环稳定性等等。此外，发现了Pd@NiO纳米片/泡沫镍一体化正极能够生成膜状的Li2O2，这有利于在充电过程中电子从Li2O2向正极表面上的转移，进而降低充电电压。 4.在锂-空气电池中，正极是发生氧还原反应的主要区域。正极稳定性会影响到锂-空气电池的电化学性能。据报道，碳正极材料在锂-空气电池中会被分解，产生副产物进而恶化电池性能。为解决碳正极不稳定这个问题，世界各地的研究者开展了大量的研究来提高碳正极的稳定性以及发展具有高稳定性的非碳正极。我们以综述的形式首次总结了导致空气正极不稳定的原因和提高稳定性的策略。 5.锂-空气电池的放电和充电过程是通过Li2O2的生成和分解实现的。通常情况下，Li2O2的生成和分解是一个缓慢的过程进而导致锂-空气电池性能差。为了加速Li2O2的生成和分解，各国研究者在催化剂的制备、表征、性能测试等等方面展开了一系列的工作。我们以综述的形式系统地总结了上述工作。 6.最后考虑到锂-空气电池和燃料电池在反应机制这一方面的相似性，我们将工作拓展到了燃料电池领域。催化剂是燃料电池的一种重要成份。其中开发低成本、稳定和高效的替代Pt基材料的非贵金属催化剂是一个重要的方向。作为概念验证试验，我们制备了一种高催化活性的自支撑氧还原电催化剂。所得到的M-Nx/C催化剂具有独特的片状形貌和高比表面积的分层多孔结构，它在碱性介质中表现出优异的催化性能，优于商业Pt/C催化剂。作为阴极催化剂成功组装了具有竞争力的碱性和质子交换膜燃料电池。