具有极高理论能量密度的锂空气电池近年来受到了极大关注,有望取代传统的锂离子电池,作为电动汽车动力电池或应用到便携电子设备中,促进能源和环境问题的解决。但锂空气电池普遍存在过电位高、倍率性能不足和循环稳定性差等诸多科学和技术问题,需要开发具有高催化活性和匹配结构的阴极。凭借自身诸多优良特性,碳材料在锂空气电池阴极的研究中表现出极大的活力。其中,具有超大比表面积、超高电导率的石墨烯是一种十分理想的阴极材料。但石墨烯的低催化活性限制了其在锂空气电池中的进一步发展,所以在充分利用石墨烯优良特性的基础上对其进行适当的结构设计十分必要。本论文以有机电解液体系锂空气电池为研究对象,选择石墨烯作为基本阴极材料,通过对石墨烯进行结构设计和表面修饰,提升锂空气电池性能,探索出适用于锂空气电池的高活性阴极,推动锂空气电池的进一步开发和应用。本论文系统研究了采用改进化学气相沉积（CVD）方法制备高品质三维立体石墨烯,并在此基础上通过在CVD过程中暴露空气使泡沫镍基底部分氧化,制备得到具有梯度孔隙结构的三维立体石墨烯。三维石墨烯大比表面积的高效利用以及梯度孔隙结构的构建,使其具有丰富的催化活性位点和物质传输通道。将其作为独立阴极组装的锂空气电池在57 mA g^-1电流密度下表现出9559 mAh g^-1的高比容量,且在285 mA g^-1的高电流密度下仍能保持3988 mAh g^-1的比容量。并且在57-171 mA g^-1的电流密度范围内,电池可以稳定循环150圈未出现明显衰退。进一步研究发现石墨烯的活性主要来源于其边界碳悬键,据此我们将具有高密度边界的碳量子点作为催化剂应用于锂空气电池阴极中。以葡萄糖作为碳源,使用水热方法制备得到碳量子点（离心后的上清液和沉淀两种碳量子点）,浸渍到碳纸表面并烘干后得到的复合阴极分别表现出68900 mAh g^-1和80040mAh g^-1的极高比容量,且分别在1333 mA g^-1和800 mA g^-1电流密度下稳定循环300圈。通过对两种碳量子点的对比分析发现,来源于沉淀的碳量子点具有更高的催化活性,对锂空气电池性能的改善更为显著。