可充电锌-空气电池因具有高的比能量、良好的安全性、低廉的成本等优势而被认为是电网储能、电动汽车、小型便携式设备等领域的理想能量存储系统。但是,其空气电极上缓慢的氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）,使得可充电锌-空气电池的能量效率不高、循环稳定性不佳,因此需要开发高效、低成本的电催化材料以促进ORR和OER的快速进行,从而提高电池体系的能量效率和循环性能。研究发现,层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides,LDHs）是一类价格低廉、活性较高的OER电催化剂,但是低的活性面积、差的导电性和弱的ORR活性等因素严重限制了LDHs材料在锌-空气电池空气电极中的应用,尤其是在柔性固态可充电锌-空气电池方面。为了克服这些问题,本论文利用简便且普适性的化学合成方法,开发了几种新型的、催化性能优异的镍基LDHs复合电催化材料。这些催化剂明显提升了LDHs的ORR性能,并进一步提高了其OER活性。而且,通过元素价态调节策略,实现了镍基LDHs材料的ORR和OER性能的协同改善,探明了镍基LDHs复合催化剂的改善机制。更重要的是,通过对镍基LDHs复合材料的微观结构、表面元素价态、电催化活性等方面的系统研究,初步建立起了“材料合成-材料性质-电催化性质”的定性关系,并揭示了LDHs催化剂中的独特现象:由“吸电子/给电子效应”引发的OER与ORR功能之间的“跷跷板”作用。这些研究工作可为先进的LDHs类电催化剂的设计/调控提供有益借鉴。此外,将LDHs电催化剂应用于液相锌-空气电池和柔性固态锌-空气电池后,该催化剂显著降低了可充电锌-空气电池的过电位,并提高了电池的能量效率,让电池实现了更优异的循环性能。本论文的具体研究内容如下:（1）通过化学共沉积法实现了超薄NiMn LDH纳米片及NiCo₂O₄纳米线的核-壳阵列结构的可控合成,获得了紧密的尖晶石氧化物与LDH的界面结构。受益于核-壳结构较高的电化学活性面积、良好的导电能力、快速的物质传递速率及两相协同作用,所合成的NiCo₂O₄@NiMn LDH核-壳结构催化剂在10 mA cm^-2电流密度下的OER过电位仅为255 mV,这是NiCo₂O₄类电催化剂中最低的OER过电位值,该性能也远优于商用的Ir/C和Pt/C催化剂;将基于NiCo₂O₄@NiMn LDH催化剂的一次锌-空气电池具有高的比容量(722 mAh g^-1)、高的能量密度(866 Wh kg^-1)以及优异的初始能量效率（63.5%）。值得注意的是,NiCo₂O₄@NiMn LDH可充电锌-空气电池也显示出极其稳定的循环性能,其分别在低电流密度(5 mA cm^-2)和高电流密度(20 mA cm^-2)下经500次循环后的电压差仅仅增加45 mV和20 mV。此外,将NiCo₂O₄@NiMn LDH催化剂用在柔性固态锌-空气电池时,电池体系同样呈现出良好的能量效率和一定的循环性能,说明了NiCo₂O₄@NiMn LDH催化剂的实际应用潜力。（2）利用两步水热法,成功地在泡沫镍和柔性碳布上构建了Co₃O₄@NiFe LDH垂直核壳阵列结构。通过调节NiFe LDH生长时间和结合XPS分析技术,揭示了Co₃O₄@NiFe LDH的微观形貌、化学价态、电化学性质之间的联系。研究发现,Co、Ni、Fe离子的价态可通过复合材料界面产生的“吸电子/给电子作用”来调节,从而进一步实现Co₃O₄@NiFe LDH的OER和ORR催化性能的协同优化。其中,Co₃O₄的引入促使NiFe LDH的最大ORR电流密度从0.45 mA cm^-2提升到了3-7 mA cm^-2;而NiFe LDH的OER过电位(35 mA cm^-2)从266 mV降低到了226 mV。基于Co₃O₄@NiFe LDH的可充电锌-空气电池呈现出相当优异的循环性能（1250次,时间长达208小时）、充放电电压差仅有0.8 V(15 mA cm^-2),最大电压差波动仅为30 mV。此外,以柔性碳布作为集流体而构建的柔性固态锌-空气电池可以稳定循环120次以上、循环时间长达20小时。在同步的弯曲测试与放电测试中,该电池也能实现稳定的放电。经串联的电池还可以稳定的驱动LED面板（3.0 V）。该项研究工作填补了双功能催化性能同步优化与平衡的这一关键空白,从而为双功能电催化材料的界面设计以及调控提供了有益借鉴。（3）利用胶体表面电荷状态差异、研发了以“静电吸附作用”合成电催化剂的方法。用此方法成功地将石墨烯量子点引入到镍基LDHs体系中,合成了一系列的镍基LDHs@石墨烯量子点复合纳米片阵列结构。研究发现,石墨烯量子点的引入,可使镍基LDHs与石墨烯量子点产生显著的“吸电子效应”,从而引发镍基LDHs中的金属阳离子（Ni、Co、Fe、Mn）倾向于更高化学价态,最终普遍提升了镍基LDHs的OER催化活性。其中,催化性能最佳的NiFe LDH@GQDs复合材料在10mA cm^-2的过电位达到189 mV,该活性可与目前最先进的催化剂媲美,也远远超过目前的商用催化剂。受益于增强的OER催化性能,基于NiFe LDH@GQDs催化剂的锌-空气电池的充电过电位比NiFe LDH锌-空气电池降低了大约30 mV（从1.95 V到1.92 V）。而且,NiFe LDH@GQDs锌-空气电池也展现出良好的长循环充放电能力,经500次充放电循环后,其电压差几乎没有变化。该工作为镍基LDHs催化剂中的“吸电子效应”提供了重要的理解,也为设计高性能、高性价比的LDH是催化剂,并应用于锌-空气电池提供了新的策略。本文研发了合成镍基LDHs纳米结构的普适性方法,研究了它们的氧电催化行为以及相应地锌-空气电池性能。从中揭示了在氧化物与LDHs、纳米碳与LDHs中,“吸电子/给电子效应”所引导的电荷转移,并初步建立了“电荷转移调控—双功能电催化化学”的关系。这为LDHs双功能催化界面的设计提供了新的理解。