能源将是二十一世纪人类所面临的最大的挑战。随着氢能源消耗的增长,关于储氢和燃料电池的研究正在增多。在燃料电池的许多类型中,其中有一类是质子交换膜燃料电池,由于其污染小,能量密度高和低温操作,已经成为移动设备和便携设备的高效能源供给。质子交换膜燃料电池可以将储存在燃料分子的化学能转化为电能。在具体操作中,氧气从阴极供给,并且随着燃料分子在阳极低电位下的氧化而发生电化学还原反应。根据所用燃料的不同,质子交换膜燃料电池又被划分为直接氢燃料电池,直接甲醇燃料电池,和直接甲酸燃料电池等。目前,由于氢气储存比较难,价格也相对昂贵,所以对直接甲醇和甲酸燃料电池研究的比较多。铂基纳米颗粒被用作几乎所有燃料电池电极表面的电催化剂,但是铂基催化剂很容易被反应的中间体类CO物质所毒化。本论文将围绕催化剂的载体和反应活性中心两方面来展开研究工作,我们合成了Pt-基和Pd-基催化剂,并且利用X-射线衍射(XRD),场发射扫描电镜(FE-SEM),透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS),高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)等表征技术,研究了质子交换膜燃料电池催化剂的合成及其电催化应用。论文主要内容分为三部分：(1) Pt-Cu二元壳核纳米合金催化剂的合成及其对甲醇反应的影响Pt-Cu二元纳米晶体由于其较高的抗一氧化碳中毒性和自然界中丰富的Cu资源成为较有效的催化剂。通过电势替代法合成了PtCu3, PtCu2, PtCu, Pt3Cu纳米壳核结构,XRD表征得到Pt与Cu的边延部分形成了合金,并且随着Pt:Cu比的增加,合金化程度也越大。HAADF-STEM的结果得到Pt-Cu纳米颗粒成壳核结构,而且核主要是Cu元素,表面是丰富的Pt元素,并且是沿着Cu外延生长的。将PtCu3, PtCu2, PtCu和Pt3Cu纳米颗粒负载在碳黑上,研究其对甲醇的催化活性,发现PtCu2/C在甲醇氧化实验中表现了超强的电催化活性。在0.75V(参比于可逆氢电极,RHE)PtCu2/C质量和面积比活性是604.8mA mg-1Pt和9.4Am-2,这分别是工业商用催化Pt/C的3.3和4.1倍,其中商用催化剂的质量和面积比活性分别是185.5mA mg-1pt和2.3A m-2。甲醇氧化活性的提高可能由于Pt与Cu的协同作用及形成的壳核结构有关。(2)铂基三元合金催化剂的合成及其对甲醇和甲酸电催化氧化反应的影响在氮气下,利用硼氢化钠还原法得到了碳载单金属Pt/C, Pd/C, Co/C双金属PtPd/C, PtCo/C, PdCo/C和不同比例的三金属PtPdCo/C催化剂,并且通过对每种催化剂做电化学测试得到了Pt, Pd和Co的最优比例。研究了他们的电催化甲醇和甲酸氧化反应,最后得到Pt0.35Pd0.35Co0.3/C的电催化甲醇和甲酸反应活性最高。得到的材料分别用X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)做了表征。合金中三种金属的比例用原子吸收光谱得到了结果。XRD和XPS证明PtPdCo形成了三元合金,TEM图得出Pt0.35Pd0.35Co0.3合金平均粒径为2nm,粒径均匀,并高度均匀地分散在碳载体上,适合做电催化的催化剂。(3) PdAu/graphene催化剂的制备及其对甲酸电催化反应的影响我们发明了一种新颖的,简便的,快捷的化学还原法把PdAu纳米粒子高效地负载到PAC功能化的氧化石墨烯表面上。即在PAC功能化的氧化石墨烯溶液中加入Na2PdCl4和HAuCl4混合液,通过NaBH4原位还原成PdAu合金纳米枝。XRD及HAADF-STEM证明PdAu形成了稳定的合金,而且PdAu合金成功地负载在石墨烯上了。通过催化剂性能的测试,合成的PdAu/graphene催化剂电化学活性比表面积增大了,对甲酸电催化氧化反应也有很高的活性。在甲酸电催化实验中,PdAu/graphene催化剂的活性是Pd/graphene和Pd/C催化剂的3.2和5.1倍。PdAu/graphene在碱性条件下对甲醇的电催化氧化活性与Pd/C相比,催化活性也有提高。最后我们对PdAu/graphene,Pd/graphene和Pd/C催化剂对CO的电催化活性进行了测试,通过对比,发现PdAu/graphene催化剂的氧化电位和起始电位都负移了,加快了CO的氧化过程,进一步证明了PdAu/graphene催化剂较高的电催化氧化甲酸活性。