电催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)由于其缓慢的动力学性能成为限制燃料电池和金属空气电池发展的重要因素。开发低成本、高活性的催化剂因此成为氧还原反应的核心问题。在各种氧还原催化剂中,Mn02催化剂因其成本低廉,储量丰富和稳定性良好,成为最具前景的代替Pt的催化剂之一。然而,Mn02催化剂的活性较低,因此,提高Mn02催化剂的活性成为该材料研究的重点。现阶段常用提高MnO2催化剂活性的方式主要包括开发高比表面纳米结构、掺杂过渡金属离子以及复合高导电性材料等。这些方法虽然能够一定程度上提高活性,但是其涉及的过程或者较为复杂或者成本较高,且不能改善Mn02本身的性质。因而,研发新颖、简单的改性方法变得愈来愈重要。因此,本论文使用密度泛函理论结合实验的方式,开展了氧缺陷和氢化两种简单的方式优化β-MnO2氧还原的性能,并研究了β-MnO2复合对于Pt纳米簇氧还原反应性能的影响。主要内容如下：1.采用密度泛函理论方法,构建了氧缺陷β-MnO2(110)水合表面,所得的氧缺陷表面会暴露Mn原子位点并降低Mn的化合价。氧还原性能计算表明,与完美β-MnO2(110)水合表面相比,存在氧缺陷的水合表面会增强02和H02的吸附能力,有效地降低02还原为H02反应的热力学吸热过程和反应的能垒,表现出更为优异的催化活性。因此氧缺陷是提高氧化物催化活性的新颖方式。其中通过比较不同的表面氧缺陷浓度(无缺陷、0.16/ML (monolayer)和0.33／ML),发现0.16／ML的氧缺陷浓度对于提高Oxygen Reduction Reaction的动力学性能最为有利。引入氧缺陷的方式为改善MnO2活性提供了新的、有效的途径。2.使用密度泛函理论计算,构建了氢化的β-MnO2结构,发现氢化β-MnO2的晶胞结构发生了扭曲,其电子结构为半金属性。与原始β-MnO2相比,氢化β-MnO2表面能够通过氢键作用增强02等中间体的吸附,表现出更好的Oxygen Reduction Reaction性能。基于理论预测,通过简单、温和温度氢气处理方法成功制备了部分氢化的β-MnO2纳米棒,与原始β-MnO2相比,氢化β-MnO2纳米棒的结构和形貌基本保持,但是存在微细的结构变化。电化学测试结果表明,氢化β-MnO2纳米棒具有更好的活性：在碱性溶液中,其具有更大的极限电流、更正的半波电位、更高的电子转移数和更好的稳定性；在锂-空气电池中,其容量约为6000mAhg-1carbon,且能够稳定循环20周期。3.使用密度泛函理论计算,构建了β-MnO2负载Pt8纳米簇复合体系,发现Pt8纳米簇与β-MnO2复合后,Pt8纳米簇给出电子呈现电正性,其d带中心偏离Fermi能级。与Pt8纳米簇相比,OH在Pt8/β-Mn02表面的吸附变弱,从而加快了Pt纳米颗粒催化限速步骤的速度,表现出更为优异的Oxygen Reduction Reaction催化活性。因此β-MnO2是一种良好的贵金属负载基底。这种原子尺度金属-金属氧化物协同的作用研究为更好地了解Oxygen Reduction Reaction反应过程提供了基础。