锌-空气电池(Zn-air)以其高能量密度(理论比能量密度高达1084 Wh/kg,是现在锂离子电池的2-3倍)、经济性、高安全性,在新型可移动电源和电子设备应用领域引起研究者的广泛关注,被认为是最具发展前景的可持续能源储存与转换器件之一。析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)是发生在空气阴极的两个重要反应,但其反应过程中的多步骤电子转移会导致反应的动力学缓慢,降低其反应效率,严重影响电池性能。虽然,贵金属基催化剂可以加快氧电催化反应速率,提升能量的转化率,但其材料的稀缺性及不尽人意的稳定性阻碍了大规模的工业化生产。因此,研发低成本、高效、高稳定性的非贵金属双功能催化剂,并揭示其催化反应机理,是目前锌-空气电池研究的重中之重。钴酸镧(La Co O₃)因其独特可控的电子结构,被认为是最具潜力去替代贵金属基催化剂的材料之一。本论文通过溶胶凝胶法制备了一系列La Co O₃基钙钛矿氧化物催化剂,采用非金属原子掺杂、构建异质结等策略,利用离子自旋态、氧缺陷、金属-氧杂化等理论对材料的氧电催化性能提升进行了机理的解释和探讨,这也为将其他钙钛矿氧化物材料应用于Zn-air电池提供了新的研发视角。本论文的主要研究方法和结论如下:1.通过非金属元素(N、P、S)掺杂,取代钴酸镧(La Co O₃)部分氧原子并形成氧缺陷,使Co O₆八面体发生了Jahn-Teller畸变,从而使La Co O₃中的Co³⁺离子从低自旋态(LS)转变为中间自旋态(IS),优化了其氧电催化和Zn-air电池性能。研究发现,N掺杂的La Co O₃在50 m A/cm²的电流密度下表现出1.69 V的OER过电势,其ORR极限电流密度可以达到5.78 m A/cm²。此外,S掺杂的La Co O₃组装的液态可充电Zn-air电池具有高功率密度(92 m W/cm²),出色的充电/放电稳定性(稳定循环100 h)和大的开路电压(1.47 V)。2.利用前驱物的非化学计量比,采用溶胶凝胶法一步制备了具有不同相比例的Co₃O₄@La Co O₃催化剂。相比于单相的Co₃O₄和La Co O₃,双相的Co₃O₄@La Co O₃拥有更优异的电催化和Zn-air电池性能。当电流密度达到10m A/cm²时,Co₃O₄@La Co O₃具有更小的过电位(320 mv)和更低的Tafel斜率(135.4m V/de)。第一性原理计算结果表明材料性能的提升归因于其界面的电荷转移及界面作用对Co离子d电子态的调控。基于Co₃O₄@La Co O₃电极组装的液态可充电Zn-air电池可提供1.46 V的大开路电压,785 m Ah/g _Zn的高比容量,140 m W/cm²的功率密度以及超过555个周期的出色循环稳定。