锂氧电池在过去十年间由于其超高的理论能量密度而受到了广泛的关注,但是其电极上的反应动力学迟缓和不良的副反应严重阻碍了电池性能。在这方面,开发高效的催化剂是解决上述问题的关键。迄今为止,尽管已经开发了各种催化剂,但是实际的电池性能仍远远不能令人满意。而且,关于超氧化物物种的吸附与Li-O2化学动力学之间的关系,尤其是在原子水平上对调制本质的理解,仍是不清楚的,这从根本上是有趣的但是具有挑战性的。为此,我们设计合理的催化剂和正极结构以促进氧气转化反应动力学。同时通过各种原位检测方法及理论计算深入分析催化剂表面结构与反应中间物的相互作用,以揭示催化剂催化氧转化过程的作用机制。此外,我们亦系统地研究了典型的过渡金属碳化物和过渡金属硫化物在作为正极时的锂氧电池性能。论文的主要工作总结如下:1,探究对超氧化物物种的吸附作用与Li-O2化学动力学之间的关系对于设计用于Li-O2电池的高效氧电极至关重要,对调制本质(尤其是原子级)的理解亦可提供广阔的视角。在本文中,我们揭示了通过核诱导的界面电荷相互作用可以很好地调节超氧化物类在电极表面的吸附行为,并发现适中的吸附强度可以使Li-O2电池具有出色的倍率性能。更重要的是,我们进一步开发的原位X射线吸收近边缘结构光谱(XANES),原位表面增强拉曼(SERS),实时电子自旋衍射(ESR)等手段提供了适用于锂氧电池的原位监测平台,以实时检测在充放电过程中超氧化物中间体和与表面吸附状态相关的催化剂金属位的电子态。调控界面电荷来调节吸附行为的概念可能会为进一步推进Li-O2电池正极催化剂的开发和电池的发展提供新的机会。2,通过在MoS2基面上引入空位并采用原位合成方法,我们证明了带有S缺陷的MoS2-x能够出色地催化氧还原氧化动力学,从而改善Li-O2电池的性能。结果表明,S缺陷能有效地提高MoS2的本征电导率和活性位点数量,大大提高了催化活性。此外,碳3D骨架中大量的多孔结构不仅充当离子和气体传输通道,而且还有助于增加比表面积以传递活性位点,并为容纳固体放电产物提供足够的空间,以实现令人满意的电池比容量。据了解,从3D网络设计和表面调节来看,已制成的正极材料已被视为出色的氧转化催化剂之一,为设计Li-O2催化剂及其他电催化领域提供了开放的视野。