金属-空气电池是一种新型储能与能源转化电子设备,它具有高功率密度、高能量密度、构造简单以及绿色环保等优点。然而,在金属-空气电池中,氧电极材料主要由贵金属材料构成。贵金属材料由于其昂贵的价格以及较差的稳定性阻碍了金属-空气电池的发展。因此,本文拟通过选取地球储量高、价格低廉的过渡金属氧化物为基础,进一步设计合成出具有阳极析氧性能和阴极氧还原性能的尖晶石型过渡金属氧化物。此外,拟选取具高导电性与高比表面积的碳纳米管材料作为基底,通过沉积法、回流法和水热法等方法将尖晶石型过渡金属氧化物生长于碳纳米管上,可以有效改善尖晶石型过渡金属氧化物低比表面积与导电性差等物理缺陷。电化学性能测试与电池性能测试结果表明:这类碳纳米管基AB₂O₄复合材料具有优异的氧可逆催化性能,应用在金属-空气电池中表现出卓越的电池充放电性能以及高的循环充放电稳定性。具体内容如下:（1）针对Ni Co₂O₄纳米材料其自身导电性差,容易团聚等缺点,通过引入碳纳米管生长基底,制备了一种新型的层状结构的阳极析氧电极复合材料Ni Co₂O₄/CNTs。碳纳米管的加入,为Ni Co₂O₄提供了较大的比表面积与较高的导电性,加大了电解质与催化剂的接触面积,促进了电子传输速度,从而提高了Ni Co₂O₄的析氧催化性能与稳定性能。（2）在Ni Co₂O₄/CNTs的基础上,进一步对AB₂O₄材料进行尺寸的缩小,并且通过离子替换技术提高钴离子的离子价态;此外,通过在碳纳米管表面引入氮原子,增加碳纳米管自身的催化活性位点,最终制备出Zn Co₂O₄/N-CNTs复合材料。由于锌离子的引入,使大量钴离子以高价态的形式占据于八面体位,提高了材料的析氧性能;另一方面,氮原子以吡啶氮的形式掺杂在碳纳米管表面,提高了碳纳米管表面的催化活性位点,增强了催化材料的阴极氧还原性能。最终将Zn Co₂O₄/N-CNTs复合材料应用于锌空电池中,该电池显示出了优异的充放电性能以及稳定性能。（3）鉴于高价态钴离子具有较高的析氧性能,因此通过引入具强电负性的Au粒子,进步提高钴离子价态,从而增强催化剂析氧性能。所制备的Zn Co₂O₄/Au/CNTs显示出钴离子具有更高的价态,并且展现出较低的析氧起始电位与较大的析氧反应电流密度;与贵金属Ir O₂相比,Zn Co₂O₄/Au/CNTs在碱性介质以及中性介质中,都显示出优于贵金属Ir O₂的析氧性能。（4）由于二价铜离子具有较好的氧催化性能,因此在Co₃O₄/N-CNTs中引入铜离子,合成出Cu Co₂O₄/N-CNTs复合材料,能进一步增加催化材料的活性位点,从而提高其氧可逆催化性能。该Cu Co₂O₄/N-CNTs复合材料显示Cu²⁺为钴基材料提供额外的催化活性位点。电化学性能表明,Cu Co₂O₄/N-CNTs复合材料具有与贵金属材料相媲美的析氧性能与氧还原性能;以此进一步组装的液体和全固态锌空电池性能测试显示出了优异的充放电性能和高循环稳定性。（5）尖晶石型锰基材料具有优异的氧还原性能,但由于锰离子价态过高或过低都极大地影响了其催化性能。因此,设计将锰离子以+3价态置于八面体位,将钴离子以+2价态置于四面体位,从而成功合成出了Co Mn₂O₄/N-CNTs纳米复合材料。+3价态的锰离子具有最优的氧还原催化活性,且具碱性的Co²⁺为Mn-O键提供了良好的化学环境,稳定了Mn-O键,从而极大地提高了锰基材料的催化性能。与贵金属材料相比,Co Mn₂O₄/N-CNTs纳米复合材料具有更小的起始电位与更大的反应电流;将Co Mn₂O₄/N-CNTs纳米复合材料应用在锌空电池中,电池显示出优异的放电性能以及高稳定性能。