在目前研究的电源体系中，锂空气电池不仅具有最高的理论比容量(3828mAh g-1)和理论比能量(11425W h kg-1)，而且因为可循环、环境友好等优点，引起人们的广泛重视，具有极为诱人的发展前景。但是当前，锂空气电池的发展依然处于初级阶段，仍有循环性能差、能量转化效率低等诸多问题需要克服和改进。研究和开发高效的正极催化剂，被认为是提高锂空气电池性能的关键。在本论文中，成功制备了一种新型的自支撑、多孔、无粘结剂的三维材料，直接用作锂空气电池的空气电极，具体研究内容包括：通过化学气相沉积(CVD)的方法，以泡沫镍为基底，制备得到三维石墨烯材料。XRD和Raman光谱的表征结果证明，相比化学氧化还原法制备得到的石墨烯，CVD法制备的三维石墨烯晶相更好、质量更高、缺陷更少。将三维石墨烯电极直接组装锂空气电池，首次放电容量为1536mAh g-1，在限容500mAh g-1的条件下，循环28次。采用水热原位生长的方法，在三维石墨烯表面制备Co3O4，SEM、TEM、XRD、XPS、Raman等表征测试方法表明制备得到的Co3O4分散均匀、排列有序、晶相良好。将获得的三维石墨烯-Co3O4复合电极组装锂空气电池，首次放电容量为2453mAh g-1，在限容583mAh g-1的条件下，稳定循环62次。采用电沉积的方法，在三维石墨烯上制备Co3O4。SEM测试表明制备得到的Co3O4呈均匀分布、相互交织的花瓣状，XRD、XPS测试结果证明制备的Co3O4晶相良好。将三维石墨烯-Co3O4复合电极组装成锂空气电池，首次放电容量为2032mAh g-1，在限容700mAh g-1的条件下，循环45次。