氢氧燃料电池和金属-气体电池作为现阶段研究最热门的两种新能源器件,能够高效率低污染地将燃料和空气中的化学能转化为电能。但是氢气的来源问题和电极反应过程中的高过电位也制约着其在实际生产生活中的应用。电解水制氢作为现阶段最可能实现绿色无污染制氢的技术,可以为氢氧燃料电池解决原料问题。但不管是电解水的整个过程,还是燃料电池和金属-空气电池的阴极反应都在动力学上面临着较高的能垒,从而导致能量利用率的低下,因此需要开发高性能的电催化剂来降低反应的过电位。二氧化锰（MnO2）作为一种廉价、低毒、环境友好的材料,因其丰富的物相,多变的形貌和易于调控等特点而被人们广泛关注。但是MnO2的本征电催化活性十分有限,需要采取适当的策略提高其电催化氧转换的催化活性,以拓宽其在金属-气体电池中的应用。基于此,本工作集中于改善MnO2的电催化活性的研究,通过调控晶相和引入缺陷的方式制备了高活性的MnO2催化剂,并深入探究其在电催化过程中的活性来源以及催化机理:1.由于β-MnO2的本征活性较差,考虑到α-MnO2具有更好的电催化活性。在第三章中,通过在水热的前驱体溶液中加入离子液体（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）,成功的将β-MnO2纳米棒转变成α-MnO2纳米线,并将其作为双功能的电催化氧转换催化剂。在OER反应中,MnO2-IL0.5达到10 mA cm-2的电流密度需要394 mV的过电位;在ORR反应中,MnO2-IL0.5的半波电位达到0.83 V,和Pt/C接近,同时具有5.26 mA cm-2的极限电流密度。将其用作锌空气电池的阴极催化剂时,所制备的电池具有1.51 V的开路电压,166 mW cm-2的最大功率密度以及40小时以上的循环稳定性。通过XPS、EXANES探究其催化活性提高的原因,发现相较于β-MnO2纳米棒,离子液体调控的α-MnO2纳米线具有更大的比表面、更多的Mn3+以及大量的氧空位。2.为了提高β-MmO2的催化活性以拓展其进一步的应用,缺陷的引入可以有效的调控MnO2的电子态并改变其催化活性。因此在第四章中,通过简单的水热反应成功的将Ru原子掺杂到β-MnO2的晶格间隙中,Ru的掺杂引起β-MnO2的晶格劈裂,从而使其具有出色的电催化氧转换活性。通过XAFS、CS-TEM等表征确定Ru以单原子的形式掺杂在晶格间隙中。相较于未掺杂的β-MnO2,Ru-MnO2的OER过电位从 566 mV降低到256 mV（10 mA cm-2）,ORR的半波电位从0.74 V提升到0.85 V。OER/ORR的电势差仅有0.63 V。将其负载在碳纸上作为阴极组装的锌空气电池同样具有出色的性能。关于活性的来源通过XPS、XAFS、EPR以及DFT进行了详细的研究。当Ru掺杂到β-MnO2的间隙中时,β-MnO2的晶格发生膨胀并产生大量的Mn3+和氧空位,并且劈裂的晶格将Ru单原子暴露在表面。暴露出的不饱和配位Ru原子作为OER的活性位点,对含氧中间体的吸附具有更合适的吸附能,因此具有更好的催化活性;β-MnO2中大量的Mn3+以及氧空位的协同作用则提高了 ORR的活性。