进入新世纪以来,一些新能源储能设备如锂硫、锌空气、铝空气和锂空气等电池的研究蓬勃发展,以期减轻使用化石燃料导致的能源危机和严重的环境问题。与锂硫、锌空气、铝空气电池相比,锂空气电池显示出更高的比容量(³600 Wh kg^-1),因而引起国内外学者展开了广泛研究。然而,在空气正极发生的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的动力学缓慢,由此产生的大充放电过电位、低倍率性能和较差的循环寿命严重阻碍了其在电动车辆方面的实际应用。为了克服上述缺点,大量科研工作者们探索解决策略,包括双功能正极催化剂的设计、改进电解质以及调节放电产物形态或组成。正极材料中,碳材料（碳纳米管、石墨烯、导电碳等）表现出较高的ORR活性,但OER性能较差,在高压情况下容易被氧化产生起一些副反应。过渡金属氧化物（MnO₂、Co₃O₄、NiCo₂O₄等）由于其低成本和高效率被广泛研究,且金属氧化物的OER活性通常高于碳材料,金属氧化物催化剂表面原子排列或价态分布对提高锂空气电池的电催化活性和电化学性能起重要作用。本论文构建中空结构正极催化剂,基于碳材料、Co₃O₄的优点,采用杂原子掺杂、合成异质结构、制造氧空位等策略提高材料的电催化性能。主要研究内容和所获得的研究结果如下:（1）以TEOS水解生成SiO₂核作为硬模板,多巴胺自聚合包覆其表面生成SiO₂@PDA,经过高温碳化后刻蚀掉模板,制备出氮掺杂中空碳球（N-HC）。通过FE-SEM测试表明N-HC形貌为直径大小²50 nm的分散球体,TEM观测到N-HC的碳层约²0 nm,XRD、Raman光谱证实多巴胺经过碳化后形成了石墨化碳,BET计算N-HC的比表面积约880 m² g^-1,XPS分析表明N元素确实掺杂到碳层中。通过与实心氮掺杂碳球（NC）、氮掺杂碳包覆SiO₂（SiO₂@NC）对比,N-HC表现出更优异的电化学性能:在电流密度为300 mA g^-1截止电压到2 V条件下放电比容量达²5000 mAh g^-1;限制容量为500 mAh g^-1电流密度为300 mA g^-1条件下循环36圈。（2）选择N-HC作为基底,在其表面负载上过渡金属CoO-Co₃O₄异质结构合成N-HC@CoO-Co₃O₄。XRD证实CoO、Co₃O₄、N-HC同时存在于N-HC@CoO-Co₃O₄。将其用作锂空气电池空气正极表现出极高放电比容量:电流密度为300 mA g^-1截止电压到2 V条件下放电比容量达²4000 mAh g^-1;稳定的循环性能:限制容量为500 mAh g^-1电流密度为300 mA g^-1条件下循环112圈;良好的倍率性能。与N-HC相比,N-HC@CoO-Co₃O₄的催化性能显著提高,主要是因为N-HC的中空结构和异质结构CoO-Co₃O₄发挥协同效应。（3）以一定比例的甘油和异丙醇作为溶剂,硝酸钴作为钴源,采用溶剂热法合成中空结构Co₃O₄,利用强还原剂NaBH₄在其表面制造氧空位合成R-Co₃O₄。通过FE-SEM、TEM观察到R-Co₃O₄的形貌为中空球,利用XRD、Raman、XPS等测试手段证明R-Co₃O₄表面确实形成氧空位,且Co²⁺的含量也大量增加。电化学测试表明氧空位和Co²⁺的含量增加提高了材料的电催化性能。我们对R-Co₃O₄电极的放电产物进行研究,发现其放电产物的形貌呈纳米颗粒状,且经过充电后放电产物全部消失,证明R-Co₃O₄的电催化可逆性良好。通过XPS分析不同的充放电阶段的R-Co₃O₄电极发现,放电产物首先在氧空位、Co²⁺位点上沉积。