质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是一种清洁和高效的能量转换装置,为解决日益严重的全球环境问题和能源短缺问题提供了希望。催化剂是PEMFC的一个重要组成部分,但在燃料电池工作时的严苛电化学环境下,目前商用的Pt/C催化剂的碳载体容易发生电化学氧化,导致Pt颗粒移动、脱落或团聚,使得催化剂的活性降低。因此,如何提高催化剂的电化学稳定性已经成为了亟待解决的问题。目前,提高催化剂电化学稳定性的方法很多,其中最主要的是采用更稳定的载体,以及提高催化剂与载体的相互作用力。本文提出通过限域及锚定作用来提高Pt纳米颗粒与载体的相互作用以限制Pt纳米颗粒的移动、脱落或团聚等过程,达到大幅改善燃料电池催化剂稳定性的目的。具体的研究内容如下:1.利用纳米碳球（20⁴0 nm）对Pt纳米颗粒实施限域,即将Pt纳米颗粒限制在碳纳米球堆积的狭小空间中,起到抑制Pt纳米颗粒自由移动的作用,并采用一种电化学稳定很高的gC₃N₄作载体,制备了具有高稳定性的催化剂。首先,采用胶体法制备Pt纳米胶体,并将其均匀地负载到gC₃N₄表面,然后引入纳米碳球,制得纳米碳球限域的Pt催化剂（Pt-gC₃N₄/C）。电化学测试表明,该催化剂具有与商业Pt/C可比的催化活性,更重要的是,催化剂的电化学稳定性得到了极大的提高:在6000圈循环伏安（CV）加速扫描后,Pt-gC₃N₄/C的电化学活性面积（ECSA）保持率高达85.0%(初始值为61.4 m² g^-1),质量活性保持率高达78.7%（Pt/C为32.3%）。同时,研究发现,Pt-gC₃N₄/C催化剂还具有优于Pt/C催化剂的甲醇氧化反应活性（MOR）。2.通过在Pt纳米颗粒表面生长一层超薄的碳纳米层,厚度仅为0.58 nm,接近于分子层的水平（UTCL）,制得了UTCL锚定Pt纳米颗粒催化剂（Pt-UTCL/C）。其不仅具有与商业Pt/C相当的催化活性,而且还展现出了优异的电化学稳定性:在10000圈CV扫描后,Pt-UTCL/C的ECSA保持率高达68.4%（Pt/C为45.2%）,质量活性保持率高达60.3%（Pt/C为31.1%）。稳定性大幅提高的主要原因可归结为,UTCL能够将Pt纳米颗粒紧紧地锚定于载体碳上,防止了Pt纳米颗粒的迁移、脱落或团聚,同时也缓解了Ostwald熟化过程。3.为解决石墨烯片（GNS）层层堆积导致不利于传质的缺点,在GNS上引入孔结构,通过进一步负载Pt纳米颗粒获得了具有高氧化还原反应（ORR）活性的催化剂。其与纯GNS载Pt催化剂Pt/rGO相比,质量活性提高到1.5倍。通常,GNS表面的含氧官能团可起到有效吸附和锚定Pt纳米颗粒的作用,然而过多的含氧官能团会降低GNS的稳定性。为此,进一步采用H₂热还原降低了GNS表面的含氧官能团的含量,使多孔GNS表面的含氧官能团对Pt颗粒的锚定作用和载体的稳定性之间达到平衡。制得的Pt/rPGO-H₂催化剂相比于H₂处理之前的催化剂,质量活性有所提高,约为Pt/rGO的1.9倍。而且,其稳定性也得到提高:经过3000圈CV扫描后,Pt/rPGO-H₂的ECSA保持率为40.7%,高于Pt/rPGO（19.7%）,也大大高于Pt/rGO催化剂（23.4%）。综上所述,H₂热处理的多孔石墨烯载Pt催化剂（Pt/rPGO-H₂）具备优异的ORR催化活性和电化学稳定性。4.采用亲水聚合物（Nafion）和陶瓷纳米片（Ti O₂）协同稳定Pt纳米颗粒,使其在空间的三个维度上（x,y,z轴方向）的移动受到抑制。制得的新型催化剂（Pt-PFSA-TiO₂/GNS）的稳定性显著优于单独采用Nafion（Pt-PFSA/GNS）或单独采用TiO₂（Pt-Ti O₂/GNS）作稳定剂时的样品:在6000圈CV扫描后,其电化学活性面积（ECSA）保持率为68.1%,大大高于Pt-PFSA/GNS（54.0%）和Pt-TiO₂/GNS（50.1%）,且远高于Pt/C（39.5%）。在稳定性测试前后,上述样品ORR的质量活性保持率也表现出相同的顺序:Pt-PFSA-TiO₂/GNS（69.5%）>Pt-PFSA/GNS（51.0%）>Pt-TiO₂/GNS（43.2%）>Pt/C（33.9%）。稳定性提高的主要原因可归为:聚合物Nafion可以将Pt纳米颗粒锚定在载体表面,而分布在Pt纳米颗粒周围的TiO₂陶瓷纳米颗粒可以对Pt纳米颗粒进行限域,从而抑制其移动和团聚。