燃料电池作为电力能源的一种,特点是可以直接将燃料的化学能转换为电能。在燃料电池工作过程需要一定量的催化剂来降低反应对体系环境的要求并提高反应速率。因此,催化剂的研究探索在燃料电池的发展应用中具有非常重要的意义。目前在燃料电池催化剂领域中,Pt被公认为是效果最好的。但是传统的Pt催化剂存在催化效率偏低、循环寿命短、稳定性不理想等诸多问题,加之由于地球上的Pt元素含量极低且价格昂贵,使得现阶段燃料电池的售价普遍较高,仍处在市场导入阶段。针对以上提出的目前阻碍燃料电池技术商业化的关键问题,本文从非Pt、低Pt及高Pt原子利用率入手进行研究,用以解决催化剂价格昂贵,资源稀少的问题。同时利用掺杂、精准调控材料元素组成、暴露活性晶面等手段来解决传统催化剂活性低和稳定性差的问题。本论文基于应用电化学,纳米材料,催化化学,物理化学等学科理论,通过实验数据结合理论计算,以开发降低成本的高活性、高稳定性催化剂和揭示其催化机理为目标进行研究。主要包括以下三个方面的研究工作及结果:首先基于开发一种在性能上可与Pt媲美的高效非Pt材料的想法,同为Pt族的Pd由于化学性质与Pt相似,有望成为Pt的替代品。一维纳米材料由于其优秀的柔性结构与快速电子传输、各向异性等优点,是高性能催化剂材料研究的重要分支。本文通过掺杂改性制备了一系列在酸性介质中具有良好氧还原活性的Pd基（Pd Fe、Pd Co、Pd Ni和Pd）纳米线。该系列纳米线的直径约为10 nm,长度超过微米。受益于一维形貌的优势加之双官能团效应的结合,Pd Ni纳米线（839 m V）的半波电位与纯Pd纳米线（701 m V）和商业Pt/C（814 m V）相比,分别发生了138 m V和25m V的正向偏移,氧还原性能显著提高。随后将对此系列催化剂在酸性介质中进行了稳定性测试,在0.6-1.1 V（标准氢电极电势）之间进行10 000次电位循环后,Pd Ni纳米线的质量活性仅降低了28%,这表明所制备的材料具有良好的稳定性。这项工作为提供了一种有前景且可靠的能与Pt相媲美的高活性燃料电池阴极电催化剂。其次在上述研究方法基础上,基于制备一种高Pt原子利用率,同时达到降低催化剂成本和提高催化剂活性的目标。在纳米管壁制造出合理孔隙可以得到多孔Pd Pt纳米管可获得更高的原子利用率和传质效率,是制备高活性、低Pt催化剂的一个有效途径。首先以Pd纳米线为模板利用纳米级柯肯达尔效应制备出双金属Pd Pt多孔纳米线,随后利用加热刻蚀法,以酸性Fe Cl3为刻蚀剂制备了一种具有亚纳米Pt壳的新型Pd Pt多孔纳米管。此类纳米管的直径不到10 nm,长约数微米,有0.5±0.3nm厚的Pt壁,呈中空多孔形貌。将此纳米管在酸性介质中进行氧还原性能测试,其活性比表面积高达95 m~2/g,明显高于商业Pt/C（64.8 m~2/g）;质量活性高达2.29A/mg Pt,为商业Pt/C的14.3倍;同时还显示出良好的稳定性。性能的改进可以归因于独特的几何外貌（一维和具有多孔壁的纳米管）和Sabatier原理:将第二金属与Pt形成合金可以对氧还原反应过程中含氧中间体（如*O、*OOH和*OH）的吸附能进行优化,从而可以减少催化剂中Pt的使用量同时提高电催化活性。本论文设计的亚纳米Pt壳Pd Pt多孔纳米管为满足燃料电池商业化需求的高性能、低Pt、高稳定性Pt基催化剂提供了一条全新的途径。最后基于上一个研究方法,通过经过精确控制Pt4+和Ir3+的进料比,合成了四种不同元素含量的Pd Pt Ir多孔纳米管（Pd Pt1Ir5多孔纳米管,Pd Pt2Ir1多孔纳米管,Pd Pt3Ir1多孔纳米管,Pd Pt5Ir1多孔纳米管）,电化学测试表明Pd Pt3Ir1多孔纳米管表现出最佳的氧还原活性。随后,将Pd Pt3Ir1多孔纳米管分别在350℃,400℃,450℃,500℃下进行高温退火处理,经电化学测试,Pd Pt3Ir1多孔纳米管在400℃退火后表现出最优的氧还原质量活性(1.26 A/mg Pd+Pt+Ir)。经过30 000次电位循环测试后性能几乎没有变化。理论计算计算表明,将Ir原子引入Pt和Pd晶格中优化了（211）小平面上对氧的吸附能。同时,该材料在电流密度为-3 m A/cm~2处（氧还原）与10 m A/cm~2处（析氧）表现出642 m V超低电位间隙,揭示了其优越电催化活性。该研究为高活性一维纳米材料的合理设计提供了新的思路与方法。