在21世纪,由于化石能源短缺和环境污染的问题日益严重,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11140Wh/kg,是传统锂离子电池的10倍之多,从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,比如容量达不到预期、高过电势、能量转换效率低和循环稳定性差。因此对于锂氧气电池,研发可以有效地促进电极反应的催化剂材料是提高锂氧气电池电化学性能的至关重要的手段。在众多的适用于锂氧气电池的催化剂材料中,二氧化铈(CeO2)由于其可以在氧化态和还原态之间快速转变并且可以高效吸附氧气和超氧化物的优势被认为是最有应用前景的锂氧气电池高效催化剂之一。CeO2中的Ce3+和Ce4+在电化学反应中可以直接且快速地进行转换,这有利于氧气的吸附和释放。除此之外,CeO2的晶体结构十分稳定,这可以保证其在充放电循环时始终保持最大的催化活性。在锂氧气电池中,循环寿命及稳定性、比容量的提高以及过电势的降低是评价锂氧气电池电化学性能的重要因素。本课题的研究目的是探究不同因素对CeO2材料作为锂氧气电池正极的影响,主要着手于复合、调控氧空位含量等方面,以期探索出CeO2催化剂材料的最优条件来应用于锂氧气电池。本课题探索了 CeO2作为正极催化剂材料对于锂氧气电池的氧还原和氧析出反应的催化作用,利用复合、表面工程的方法来合成二氧化铈纳米立方体,同时进一步研究了 CeO2作为锂氧气电池正极材料的电化学性能表现以及相应催化机理。因此,本课题主要在以下两个方面展开:(1)利用生物矿化法复合CeO2纳米立方体和反蛋白石碳基体,研究CeO2/IOC复合材料的锂氧气电池电化学性能、对于Li2O2产生和分解的催化作用、充放电过程中放电产物Li2O2的形貌变化、充放电过程中CeO2/IOC的形貌变化以及成分变化。(2)利用两步水热法来合成CeO2纳米棒,并通过调节第二步水热的反应温度来调控CeO2纳米棒的氧空位含量,并进一步探究氧空位含量的区别引起的CeO2纳米棒催化活性的差异从而对锂氧气电池的性能产生影响。本课题提出的两种改善CeO2材料作为正极催化剂用于锂氧气电池的方法,获得了令人满意的循环寿命和比容量性能,为设计过渡金属氧化物的正极结构提供了一种新的思路。本课题的研究意义在于:(1)本课题提出的将具有高催化活性的CeO2纳米立方体与具有优良稳定性和导电性的IOC复合,将为Ce基催化剂在锂氧气电池正极中的应用提供理论依据;(2)本课题中探索的不同氧空位浓度的CeO2纳米棒对氧还原和氧析出反应的电催化作用,会为提高其它金属氧化物材料作为锂氧气电池正极的电化学性能提供一种有效可控的策略。