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氧还原反应是燃料电池及金属-空气电池中空气端的一个关键过程,由于氧还原反应过程固有的滞缓特性,涉及电极表面的O2吸附、O-O键激活解离和O物种去除等,成为这些能量装置中转换效率的主要限制因素,因此高效氧化原催化剂在这些装置中是不可或缺的。到目前为止,贵金属Pt被认为是氧还原最高效的催化剂,但Pt的成本和稳定性问题严重阻碍了其大规模商业应用。因此,成本低、效率高、稳定性好的氧还原催化剂得到了广泛的研究。稀土金属由于其特殊的4f壳层电子构型所衍生出的特殊的物理化学性质而受到广泛的关注。稀土金属与反应物分子轨道拥有较强的配位能力,稀土氧化物具有亲氧性和价态变化的特点,氧空位相对容易形成,常作为助催化剂参与氧化还原反应,既能保护主催化剂的高催化活性位点,又能在氧还原反应过程中将O物种转移到活性位点。这些特性使稀土能够作为一种主要催化剂或辅助催化剂参与氧气的电催化反应。基于当前催化剂的缺陷及稀土氧化物的优点,本文围绕稀土氧化物及其复合材料的可控构建开展氧还原催化剂研究工作,并探究其电化学氧还原性能,且以空气电池的电化学性能为手段评价其实际应用性能。全文主要工作及结果如下:1.稀土氧化物ReOx/NC作为氧还原催化剂及其锌空气电池性能。采用溶剂热法先制备出无定型的均匀分散的ReOx/C催化剂,通过对不同的稀土氧化物ReOx与C的比例的氧还原性能,得到最优的稀土氧化物负载量。经过NH3/Ar混合气氛焙烧后,由于ReOx与N掺杂C载体之间形成了良好的相互作用,ReOx/NC的氧还原性能得到了增强,优于焙烧前的ReOx/C以及N掺杂的C载体。其中Pr6O11/NC表现出最优的氧还原活性。焙烧后的Pr6O11/NC的氧空位得到了增强,有利于O物种的吸附和转移,表现出比焙烧前的Pr6O11/C更优异的氧还原催化性能。同时焙烧后Pr6O11/NC的稳定性也增强了。以Pr6O11/NC作为阴极催化剂组装的锌空气电池表现出良好的电化学性能。系统地对大量稀土氧化物催化剂的氧还原性能进行研究,同时通过探究组装的锌空气电池的性能研究其实际应用前景,这为以后的更优的催化剂设计提供很好的铺垫。2.Eu2O3-Cu/NC复合催化剂作为高性能的氧还原催化剂及其锌空气电池的性能研究。通过简单的溶剂热和高温煅烧的方法成功制备了一种新型的Eu2O3和Cu复合负载的N掺杂碳电催化剂Eu2O3-Cu/NC,并在碱性环境下考察其氧还原性能及组装的锌空气电池的性能。研究结果为:Eu2O3-Cu/NC的起始电位、半波电位以及极限电流密度分别为0.923、0.791 V和5.86 m A·cm-2,远高于Eu2O3/NC以及Cu/NC,甚至大于Pt/C催化剂的极限电流密度5.54 m A·cm-2,表现出优秀的氧还原活性。这归因于Eu2O3的引入带来了巨大的氧空位,这对O物种的吸附和转移很有帮助,且在高温焙烧阶段的N掺杂总量及吡啶N的含量均有所增加,同时Eu2O3和Cu之间存在较强的相互作用,两种物种的晶界相互紧密接触,实现了在氧还原过程中Eu2O3同Cu物种之间的O物种的有效迁移,使得起始电位、半波电位和极限电流密度都得到了提高,表现出优秀的电催化氧气还原的能力。此外,由于活性位点的相互作用,Eu2O3-Cu/NC的稳定性也得到了增强。以Eu2O3-Cu/NC催化剂为空气电极组装的锌空气电池,表现出良好的电化学性能。其峰值功率密度(83 m W·cm-2)高于Pt/C构建的锌空气电池的峰值功率密度(71m W·cm-2),展现出具有实际应用的前景。因此,这为新型的稀土与过渡金属复合材料在电催化领域的应用提供了示例。也为通过调控非贵金属或贵金属的种类,进而复合合适的稀土氧化物,从而设计高性能低成本的氧还原电催化剂提供了一条可行的路径。3.稀土原位掺杂ZIF-67衍生的高性能氧还原催化剂Sm2O3-Co/NEC300J及其铝空气电池性能研究。通过原位Sm掺杂ZIF-67以及同步的碳包覆耦合过程制备出Sm-ZIF-67/EC300J,进而高温碳化成功的衍生出C包覆Sm2O3-Co纳米颗粒的催化剂Sm2O3-Co/NEC300J。对催化剂进行电化学性能表征得出,Sm2O3-Co/NEC300J的起始电位、半波电位和极限电流密度分别为0.924 V、0.811 V和5.17 m A·cm-2,且表现出优秀的稳定性,同Pt/C相比具有一定的竞争力。用Sm2O3-Co/NEC300J作为空气电极的阴极催化剂组装的铝空气电池表现出放电电压大约为1.225 V,放电比容量达到1588 m Ah·gAl-1,以及峰值功率密度62 m W·cm-2,且深度放电过程中具有良好的稳定性,这些性能指标均优于Pt/C催化剂,在能源领域具有良好的应用前景。Sm2O3的引入显著提高了氧还原电催化性能,由于Sm2O3与Co的协同作用,使得起始电位、半波电位和限制电流密度都得到了提高。Ketjen black EC300J的引入带来了受限的热解环境促使形成碳包覆结构,生成了大量的氧还原活性位点。通过XPS的各元素的高分辨分析,证明了电子从Sm2O3向Co物种间的转移,确定了相互作用的存在。这种电子转移使得Sm2O3-Co/NEC300J催化剂在本征氧还原活性位的活性下降的情况下,依然可以通过协同作用的方式使得表现出更优异的氧还原性能。本结果再次揭示了相互作用对氧还原性能的巨大影响,仅在微量的稀土引入之后,依然对于性能有着巨大的影响,这种从原子级同步生成的稀土与过渡金属间的相互作用为以后研究高性能氧还原催化剂的设计提供了一种解决方案。4.聚苯胺包覆Tb-Fe双金属MOF衍生的Tb4O7-Fe/NC作为高性能氧还原催化剂及其锌空气电池性能研究。通过在原子级复合制备出Tb、Fe双金属MOF（Tb-Fe-BTC,BTC为均苯三甲酸）,同时在其表面包覆PANI（聚苯胺）作为热解时的氮源,成功制备了一种新型的Tb4O7和Fe3N、Fe4N复合负载的N掺杂碳电催化剂Tb4O7-Fe/NC,起始电位、半波电位和极限电流密度分别为0.989 V、0.840 V、5.18 m A·cm-2,同Pt/C催化剂的氧还原性能相当,表现出优秀的氧还原活性。这归因于Tb4O7-Fe/NC催化剂拥有较为优秀的活性位点数量,同时拥有较高活性的Fe3N及Fe4N活性位,且由于Tb4O7与Fe物种间的相互作用,使得其具有更好的氧还原活性,电化学性能相对于单一的Tb4O7/NC以及Fe/NC催化剂等均有很大的提高。此外,由于活性位点的相互作用,Tb4O7-Fe/NC的稳定性也优于单一的Tb4O7/NC及Fe/NC催化剂。以Tb4O7-Fe/NC催化剂为空气电极催化剂组装的锌空气电池,表现出良好的电化学性能。其峰值功率密度(111 m W·cm-2)远高于Pt/C构建的锌空气电池的峰值功率密度(71 m W·cm-2),且深度放电过程中的电压平台在整个放电过程中较为稳定,优于Pt/C催化剂构建的锌空气电池,同时表现出优异的充放电循环稳定性和倍率性能,展现出具有实际应用的前景。