人类正面临能源危机和环境污染问题，聚合物电解质膜燃料电池具有能量转换效率高和零污染两项重要优势，长远来看其具有替代内燃机成为新型动力源的发展潜力。由于目前燃料电池阴极氧还原催化剂仍需采用贵金属Pt，成本问题成为制约燃料电池商业化应用的关键因素。因此制备可替代Pt系催化剂的新型非贵金属催化剂成为燃料电池发展的突破口，其中碳载氮掺杂催化剂表现出最高的氧还原活性和稳定性，受到研究者的广泛青睐。本论文以商业炭黑BP2000为载体，含氮有机物氨基比林为氮源，以多种过渡金属盐为金属前躯体制备了一系列碳载金属氨基比林催化剂（M-Apyr/C）作为研究对象，通过循环扫描伏安法（CV）、线性扫描伏安（LSV）、旋转环盘电极技术（RRDE）等电化学测试手段对这些催化剂在碱性介质中的氧还原催化活性和电极动力学进行了详尽研究。在此基础上结合X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等物理表征方法分析了促进或抑制氧还原活性及选择性的各种因素，从而进一步揭示M-Apyr/C催化剂氧还原活性的作用机制。首先，通过对比碳载体种类对M-Apyr/C氧还原活性的影响，选择BP2000作为碳载体；通过碳载体组分优化，得到载体在整个催化剂中所占的质量比为60%时制得催化剂氧还原活性最高；通过金属载量优化，得到金属载量为5%时制得催化剂氧还原活性最高；通过未经解热及不同温度热解后催化剂活性比对，得到M-Apyr/C催化剂的最佳热解温度为700℃。其次，分析了无金属催化剂C-Metal free，及采用Mn、Fe、Co、Ni、Cu五种金属掺杂的C-Mn、C-Fe、C-Co、C-Ni、C-Cu催化剂。得到金属添加对于催化剂氧还原性能的提升顺序为Co>> Fe~Cu>Mn>> Ni，对催化选择性的提升顺序为Fe> Mn> Co>> Cu> Ni。结合XRD、TEM、XPS分析得出以下四点结论：（ⅰ）五种金属热解过程中与硫结合的程度排序为Mn、Fe> Co> Ni、Cu；（ⅱ）热解过程中N、S在与金属元素结合时存在竞争机制，金属与S结合会阻碍其与N的结合；（ⅲ）催化剂表面金属元素的分散、分布状态，以及金属与载体结合程度对催化活性产生重要影响；（ⅳ）金属及吡啶氮形成的M-Nx/C结构是构成M-Apyr/C催化剂的活性中心位结构。随后中选用催化选择性最高的Fe和氧还原活性最高的Co作为目标金属，分别研究Fe-Apyr/C及Co-Apyr/C的阴离子掺杂效应。对于所制备研究的四种Fe-Apyr/C催化剂，氧还原催化活性由高到低遵循C-Fe(NO3)3> C-FeAc> C-FeSO4> C-FeCl2的规律，催化选择性排列为C-FeAc> C-Fe(NO3)3> C-FeSO4> C-FeCl2。对于所制备的三种Co-Apyr/C催化剂，氧还原活性和选择性均遵循C-Co(NO3)2>C-CoSO4~C-CoCl2的规律。对于不同种阴离子对催化剂表面结构、催化活性及选择性的影响主要得出两点结论：（ⅰ）NO3-离子能够促进金属在催化剂表面的分散以及金属与载体和氮源的结合，进而促进M-Nx/C活性结构的形成，提高M-Apyr/C催化剂催化氧还原活性及选择性。（ⅱ）SO42-离子掺杂会导致热解过程的N、S竞争作用，抑制M-Nx/C活性结构的形成，从而造成M-Apyr/C催化剂氧还原活性的下降。最后以C-Co(NO3)2为目标催化剂，研究了其半电池氧还原反应的载量效应，结果表明，400μg/cm2载量下电极氧还原活性最高，600μg/cm2载量下催化剂的选择性最高。经循环伏安10000圈加速老化测试后，催化剂性能仅下降31mV，表明C-Co(NO3)2具有优良的耐久稳定性。进一步制备膜电极（MEA）进行单电池测试表明：以C-Co(NO3)2催化剂作为阴极所制备MEA碱性条件室温下的发电功率为36.5mW/cm2，接近本实验室在相同发电条件下得到的商业铂碳催化剂发电功率。