燃料电池因其燃料清洁,不污染环境且电池电堆能量转换效率高的优点,被认为是最有前途的新能源电池装置。商业铂碳作为最优异的氧还原催化剂其成本和耐久性仍然是最大的挑战,所以亟需研发低成本高耐久性的氧还原电催化剂。过渡金属氧化物中锰氧化物由于地壳含量高,价格低廉具有很高的氧还原催化潜力,但较低的氧吸附能力与自身的半导体特性限制了其氧还原的活性。本文针对氧还原的机理,以典型的锰氧化物为研究对象,通过不同的调控手段,对锰氧化物的氧还原性能的提升机理作出一系列探索。首先,将过渡金属钴离子比例连续可调地掺入到隐钾锰矿型氧化锰八面体分子筛(OMS-2)隧道中,通过引入新的电子转移路径来实现对OMS-2氧还原性能的调控。结果表明钴离子显著调节了电导率和电化学活性。一方面,钴离子调节Mn³⁺/Mn⁴⁺电对的数量,优化了材料的结构,增强了活性物质的稳定性和氧的吸附能力;另一方面,隧道中的钴离子作为电子有效传输的桥梁,加速了OMS-2锰氧八面体之间的电子转移,有效降低了禁带宽度,提高了OMS-2的本征电导率。其次,对离子掺入OMS-2引起应力变化的机制做了详细探究,并对应力值差异导致的性能差异性做了详细的解释,研究表明电负性较强的金属离子与Mn O₆八面体结合能力更强,导致隧道离子的偏中心迁移和应力产生。此外,性能与微观应力大小存在明显的相关性。应力越大材料的氧还原性能越好,主要是因为较高的应力导致了较强的共价性,较强的共价性又赋予Mn更强的拖拽电子到O上的能力,增加了O^2-/OH^-在催化剂表面交换的驱动力,从而加速了氧气的吸附与解离。最后,为了提高锰氧化物的导电能力,通过水热自组装与冷冻干燥相结合的方法成功地制备出了3DNG与Mn₃O₄复合的氧还原催化剂。研究发现Mn₃O₄/3DNG在碱性介质中具有较高的氧还原性能,这得益于良好的结构。3DNG作为电子的供给体源源不断地给Mn₃O₄输送电子,为氧气还原提供必要条件;坚固的三维多孔网络避免了石墨烯的重新堆积,不仅暴露了大量的锰氧化物与碳材料的接触界面,最大限度地提高复合物的催化活性,而且还允许电解质的高扩散速率。此外,3DNG有效地抑制催化剂颗粒的聚集、脱附,从而提高Mn₃O₄/3DNG复合催化剂的稳定性。