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随着人类对环境保护的意识逐渐增强，“绿色出行”成为全球倡导的理念。近年来，绿色环保的电动汽车的发展受到了越来越多的关注。然而受制于传统锂离子电池较低的能量密度，目前电动汽车有限的续航里程是制约其快速发展的最主要因素。因此，研究具有高能量密度的新型二次电池成为当务之急。在众多二次电池中，锂空气电池因为具有极高的理论能量密度，被人们寄予厚望，成为当前化学电源的研究热点。但是，目前锂空气电池中还存在一些问题，其中表现最为突出的就是电极充放电反应较低的动力学过程导致的较高充放电极化电压，并且电池的倍率性能也不理想，加上锂空气电池特有的反应过程也导致循环中副反应增加，电池的循环寿命大大降低。为了解决以上问题，采用合适的正极催化剂材料被认为是最为有效地途径。在锂空气电池正极中添加催化剂,提升电极氧化还原反应的动力学过程，能够有效地降低充放电过电势，提升电池循环性能。 本论文围绕几类过渡金属氧化物进行催化剂的微结构和组分的设计与制备，并且研究其在锂空气电池中的电化学性能，尤其是通过对催化剂的形貌优化实现锂空气电池的充放电比容量、循环效率与寿命的提升。 (1)从催化剂的微结构角度，通过对Co3O4的形貌及制备工艺进行设计，合成了具有开口球壳结构的多孔Co3O4和具有类石墨烯形貌的Co3O4，并用作锂空气电池的正极催化剂材料。由于所合成的Co3O4颗粒具有高催化活性的晶面，非常高的比表面积以及合适的介孔孔道结构，使锂空气电池的性能得到很大程度的提升。球壳结构的Co3O4具有大孔与介孔相结合的孔道，提升了放电产物的沉积空间，加快了氧气与锂离子在电极表面的传输扩散，从而提升电极反应速率，提高电池的放电比容量和循环寿命;类石墨烯形貌的Co3O4由于具有最高催化活性的取向结构，对充电电压具有很大程度的降低。两种催化剂都表现出优异的循环稳定性能。 (2)针对锂空气电池中碳材料电导率高却容易氧化分解，而金属氧化物相对稳定但电导率低的矛盾，设计制备了MnO2纳米片包覆碳纳米管的一维核壳结构复合催化剂。包覆的MnO2阻挡了放电过程中过氧化锂以及其他中间产物与碳纳米管的接触，有效地抑制了充电过程中碳纳米管的分解。通过在碳纳米管表面生成交织片状结构的MnO2，能够大大提升催化剂的比表面积和孔体积，提高放电产物的沉积空间，提升电极的充放电比容量。这种结构设计的复合催化剂使锂空气电池的倍率性能，循环稳定性能以及工作寿命都得到很大程度的提升。 (3)从多种催化剂复合的角度，将MnO2与Co3O4相结合，在MnO2纳米线表面均匀修饰一层Co3O4纳米颗粒。这种复合材料将MnO2纳米线的高比表面积和Co3O4较高催化活性结合起来，有效地提升了电极的充放电比容量，同时降低了电极极化电压。在材料合成过程中，Co元素对MnO2的掺杂，可以提升MnO2表面氧空位的浓度，从而改善催化剂对于氧气的吸附作用，有效地促进放电反应的进行，提高放电电压。通过MnO2与Co3O4之间的共同作用，电池的极化情况以及循环寿命都得到很大程度的改善。 (4)探索了氧化铁作为催化剂材料在锂空气电池中的性能表现，通过硼氢化钠还原铁离子的方法，制备出金属铁纳米线，经过表面氧化处理，形成Fe2O3包覆Fe纳米线的催化剂材料。这种核壳结构的纳米线应用于锂空气电池中，能够有效地降低电极在充电和放电过程中的过电势，提升电池的循环稳定性能。本论文中，也探索了不同表面氧化层厚度对此复合材料催化性能的影响，结果表明一定厚度的氧化层具有最佳的催化活性，使电极循环性能得到提升。 (5)探索了氮化钛作为锂空气电池正极催化剂的电化学性能，通过水热法以及阳极氧化法分别制备了纳米棒状的TiN(TiN@CP)以及纳米管阵列TiN(TiN@Ti)自支撑电极。由于TiN具有非常高的电子电导率，自支撑电极可以不必添加导电碳材料，降低了导电碳在循环过程中的分解，并且由于TiN具有一定的催化活性，电池的充放电过电势都得到了有效地降低，最终电池表现出较高的循环稳定性。