发展绿色低碳能源和新型储能材料是当前各国研究的热点。研发安全高比能量密度的金属空气电池是国家四部委加速发展新能源的重要战略之一。目前金属空气电池的空气电极是以单向氧还原反应的氢燃料电池正极结构为主,而在二次金属空气电池中,空气电极上存在氧还原（ORR）和氧析出（OER）两种复杂的电化学反应,氢燃料电池的正极结构无法解决充电过程中催化剂脱落、碳基材料氧化腐蚀、循环后放电性能下降等问题,这也是金属空气电池难以实现可充电的重要原因之一。因此,设计新型结构的电可充空气电极和开发性能良好的催化剂对二次金属空气电池和氢燃料电池的实际应用具有极大的社会价值。本文从设计和制备新型结构的电可充空气电极以及电催化剂方面展开研究工作,主要包括以下两个方面:1.设计并制备了一种新型结构的电可充空气电极,并对其进行了相关的性能测试。空气电极涉及多相反应,其中析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）在复杂的过程中交替发生。本文把OER反应设计在可充电极与电解液接触的二相亲水反应催化区,通过多孔金属基体,增加电子导电性,降低OER反应过程中的过电位,避免在高电位下ORR催化层中碳材料发生氧化腐蚀以及催化剂活性受损;其次,在析氧反应过程中,为了防止大量携带水汽的氧气向电极内部扩散,将ORR催化层设计在电极内部。一侧与气体扩散层接触,缩短了空气扩散的距离;另一侧与OER层接触,让ORR反应产生的OH-离子更有利于向OER亲水层扩散,以保持ORR催化层气/固/液三相结构的稳定。通过测试发现这种新型电可充空气电极在催化剂的使用上较为灵活,摆脱了对双功能催化剂的依赖,可以使用单功能催化剂进行搭配,极大地提高了空气电极催化剂使用的灵活性。这种新型结构的空气电极在二次金属空气电池和燃料电池方面具有较大的应用前景。2.通过化学共沉积以及高温退火法合成Ni、Co以及Fe多元金属催化剂,研究其OER/ORR催化性能。并将催化剂运用于新型结构的电可充空气电极中进行了测试。本文通过化学共沉积法合成了一系列含有Co的双金属层状氢氧化物（NiCox-LDHs）以及三元金属层状氢氧化物（NiCo Fe-LDHs）。在研究双层氢氧化物的OER性能时,发现了OER电化学过程中Co对OER催化活性以及Ni离子的氧化还原转化具有双重的影响,Co的存在不仅降低了电荷转移反应电阻,增加材料的导电性,而且加速了二价Ni向三价Ni的转化,提高了材料的催化活性。在合成三元金属层状氢氧化物时少量Fe元素的加入,使得材料的OER催化活性大大提高。而引入外源的MoO42-离子会导致LDHs材料的结晶度紊乱,纳米片的尺寸减小,提高了材料的比表面积和活性位点,使得材料的OER催化性能显著提高。其中合成出来的无碳[email protected]%MoO42-催化剂,展现出较低的过电位(239 m V@10 m A cm-2Geo)和塔菲尔斜率(43 m V dec-1),并且在100m A cm-2的电流密度下,具有良好的稳定性（200 h没有退化）。本文还对多金属氢氧化物进行高温退火,合成出尖晶石氧化物作为ORR催化剂与多金属层状氢氧化物应用于电可充空气电极中,展现出极好的循环稳定性和低电压差。这为解决析氧催化剂在碱性、高电位条件下的碳腐蚀以及电可充空气电极催化剂方面提供了一种有效的途径。