现代化石能源短缺和环境污染的问题日益严重,我国制定了碳中和的重大战略,因此对于可持续的清洁能源的探索和开发引起了人们的重视。在各种各样的能量储存和转换系统中,可充电的锂氧气电池的理论能量密度高达3457 Wh kg-1,超传统锂离子电池的10倍之多,因而吸引了人们研究锂氧气电池的兴趣。然而,锂氧气电池的广泛使用仍然因为许多因素受限,比如循环效率差、过电位高、循环稳定性差、倍率能力差等。制约锂氧电池性能优势的主要因素是正极上氧还原反应和析氧反应的缓慢动力学。在放电过程中,正极表面逐渐被作为绝缘放电产物的过氧化锂（Li2O2）包裹,降低电极体系的导电性,增加了表面产物的分解能垒,最终导致过电位过高,循环性能变差。此外,在放电/充电过程中,产生的活性氧物种-超氧自由基会攻击锂负极、电解质和正极材料,导致电极上的副反应产生和各种副产物形成。开发高效正极催化剂是解决锂氧电池性能问题的重要策略之一。高效催化剂可以加速正极反应,控制放电产物的成核和生长动力学、形态、晶态和化学成分。在氧还原反应和析氧反应过程中,超氧化锂（LiO2）被认为是一种重要的中间体,它极大地影响了催化剂的稳定性和放电产物的组成。放电产物在正极和电解质的界面的形成可以通过表面途径或是溶液途径与LiO2物种的作用。此外,在正极催化剂辅助下形成的放电产物的形态与循环稳定性密切相关。本课题主要着手对二维金属碳化物（MXene）的表面成分、电子结构与催化性能关系进行探究,并在材料中的配位结构、化学环境对二维材料电子性质、锂氧电池正极催化能力起到了关键的调控作用,因此从元素晶体结构出发,建立配位特性-电子结构-催化能力构效关系。本论文主要研究内容如下:（1）在密度泛函理论计算指导下采用刻蚀-剥离-退火法制备具有均一氧基团终止表面的Nb2C MXene超薄纳米片,并研究其作为锂氧气电池正极材料的电化学性能、对放电产物的产生和分解的催化作用、充放电过程中放电产物过氧化锂的形貌变化、成分变化以及催化剂材料的表面特性对充放电过程和循环能力的重要影响;（2）通过密度泛函理论计算对Mo基MXenes、硫属化合物（包括最典型的八种结构Mo2C MXene与Mo2NMXene及其氧基团终止表面、MoS2与MoSe2及其1T、2H相）的基本晶体结构、电子分布特性、锂氧正极过程自由能变、产物生成相图以及表面吸附过程中的电子结构变化进行了计算和深入分析,探讨了 Mo作为中心过渡金属原子的配位结构、形成的二维材料表面特性、电子结构与锂氧正极反应过程的性能描述符之间的联系,分析出超薄二维材料作为锂氧正极催化材料的关键晶体结构与电子结构特征,从而建立起二维材料配位特性-电子结构-催化能力构效关系。本课题提出的MXene材料处理策略并以其作为锂氧气电池正极催化剂,获得了令人满意的循环寿命和比容量性能,为设计MXene材料的正极结构提供了新思路;并通过以Mo基二维材料为计算样本,分析出二维材料的共性催化特征,建立起相应的构效关系,为锂氧正极催化剂的设计提供了模型与指导。本论文的研究意义在于:（1）提出了 MXene表面基团对正极材料本征电子结构、电化学循环性能的重要影响,将为MXene表面工程和后处理策略在电化学储能系统中的应用提供理论依据与框架;（2）分析出超薄二维材料作为锂氧正极催化材料的关键晶体结构与电子结构特征,从而建立起二维材料配位特性-电子结构-催化能力构效关系,形成了由计算得到的反应自由能组成的参数k与总过电势间的线性关系,在正极材料的高通量筛选和优化中具有较好的统计学意义。