氢能是一种清洁的二次能源,在解决能源危机和环境污染问题中具有重要地位。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFCs）是一类可将氢能高效转化为电能的能源转换器件。研究高效、低成本的质子交换膜燃料电池具有重要意义。膜电极是质子交换膜燃料电池的芯片,是氢气与氧气进行电化学反应的界面,占有燃料电池成本的40-60%。电催化剂是膜电极中最核心的材料之一,主要是以碳材料为载体的贵金属铂催化剂。但由于铂成本高昂,增加了质子交换膜燃料电池的成本,从而限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用。因此,提高铂催化剂的电催化性能和稳定性、降低铂的用量,进而延长膜电极寿命、降低膜电极成本,是本课题的主要研究方向。为了解决当前质子交换膜燃料电池催化剂存在的核心问题,以碳载体掺硼和PtNi合金催化剂的制备为主要研究内容,开展了如下研究工作:（1）提出了一种以硼氢化钠作为结构导向剂合成掺硼炭黑B-ECP的新颖方法,这种方法不需要打开碳原子之间的共价键,而是将硼元素掺入碳纳米球之间,不需要高温等复杂的制备条件,更容易实现规模化生产。负载在B-ECP上的贵金属铂颗粒具有更小的粒径尺寸、更高的质量比活性(0.286 A·mgPt-1)和电化学比表面积(95.62 m~2·gPt-1)。对掺硼处理后的炭黑进行TEM和XRD等物性表征的结果显示,掺硼处理后的碳载体具有更薄的结构,这对改善铂纳米颗粒的分散起着重要作用。研究还发现由于引入了电负性较小的硼,碳载体能够借助溢出效应在质子交换膜燃料电池的酸性环境中为氧还原反应作出贡献。氧原子从铂上的氧分子中解离出来,借助溢出效应转移到相邻的硼原子上进一步受到催化完成还原反应,催化剂的氧还原性能也因此有所提高。此外,通过高电位范围下的加速耐久性试验发现,硼元素的引入可以提高碳载体在燃料电池酸性环境中的稳定性,从而改善催化剂在长时间运行过程中的电化学性能。（2）以Ni作为二金属经过高温退火和酸洗最终制备出金属载量高于50wt.%、具有类核壳结构的PtNi/C合金纳米催化剂。通过TEM和XRD等仪器对催化剂进行的物性分析表明,高温退火可以有效地提高催化剂的合金化程度,同时利用酸处理进行二次脱合金又可以将催化剂中不稳定的过渡金属去除以提高催化剂的耐腐蚀性和稳定性。电化学测试结果也证明了其合金结构的优越性:PtNi/C合金纳米催化剂质量比活性达到了0.574 A·mgPt-1,为同类型高金属载量商用Pt/C催化剂的2.73倍。在经过30K圈加速耐久性测试后,PtNi/C合金催化剂的ECSA和MA仅分别下降10.2%和31.2%。PtNi/C催化剂在模仿实际应用环境的膜电极测试中也表现出良好的性能,在0.65 V下的功率密度达到了1.022W·cm-2。通过Ni的引入,既提高了催化剂的氧还原活性又降低了催化剂的成本。本课题提出的两种优化方案,制备工艺简单、易于规模化生产,既提高了催化剂的氧还原性能和稳定性,又降低了膜电极上催化剂载量,从而达到了对PEMFCs降低成本、提高功率密度、减小体积和重量以及延长使用寿命等目的,进而可以促进燃料电池的推广应用。同时,本课题结合实验现象进行的理论探索与验证也为将来燃料电池催化剂的研究提供了可借鉴的相关知识。