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低温燃料电池作为一种先进的能源技术,具有能量转换效率高、环境友好、启动快速、安静无噪音、不依赖矿物燃料等重要优点,被认为是未来理想的动力电源。目前,低温燃料电池由于其阴极氧还原反应的动力学过程缓慢,需要在阴极加载大量的铂基催化剂来加速阴极的氧还原反应。但是,铂在自然界中储量稀少、价格昂贵,在低温燃料电池中大量使用铂基催化剂而导致的高成本及不可持续性已严重地阻碍了燃料电池的商业化。近年来,碳基非铂催化剂因具有来源广泛、价格低廉、氧还原催化活性优异、稳定性高、对甲醇渗透影响具有强免疫力等特点,吸引了研究者们的广泛关注,有关碳基非铂催化剂的研究已成为燃料电池领域最为重要的研究课题之一。本文通过非金属杂原子双掺杂,多原子（包含过渡金属原子）共掺杂,插层组装,负载过渡金属纳米颗粒等方法设计制备了一系列高性能的碳基氧还原催化剂,所取得的研究结果主要包括:（1）以氧化石墨和磷酸氢二胺为前驱体,在氩气气氛下,900 ℃热处理,制备得到氮磷共掺杂的还原氧化石墨烯催化剂（NP-r GO）。该催化剂的比表面积高达376.2 m2g–1,其具有相对较高的P掺杂量（1.02 at.%）,和相对较低的N掺杂量（0.35 at.%）。NP-rGO具有较好的氧还原催化活性,在碱性介质中,其催化氧还原反应的过程主要为高效的四电子反应过程,同时它具有比商业Pt/C催化剂更加优异的稳定性和甲醇耐受性。（2）以氧化石墨烯和氟化铵为前驱体,在氩气气氛下,850 ℃热处理,制备得到氮氟共掺杂的还原氧化石墨烯催化剂（N-F/rGO）。该催化剂的比表面积高达412 m2 g–1,其N和F的原子百分比含量分别为2.51和0.74。在碱性溶液中,它的氧还原催化性能可以媲美商业Pt/C催化剂。研究结果表明:氟的额外掺杂可大幅度提升催化剂的活性,其显著的促进作用可归功于:（i）氟的高电负性,（ii）氟主要是以高活性的半离子C-F键的形式存在,和（iii）氮、氟共掺杂的协同效应。（3）以氧化石墨烯、三氯化铁、三聚氰胺和硫磺为前驱体,通过高温热处理的方法,一步实现氧化石墨烯的还原和多原子共掺杂。在碱性溶液中,该催化剂的起始电位为0.952 V（vs.RHE）,位于0.682 V（vs.RHE）的动力学极限电流密度为4.78 mA cm–2,且均优于商业Pt/C催化剂,并且其具有优异的稳定性,抗甲醇渗透性能和高效的四电子催化路径。我们分别探讨了铁、氮和硫对催化剂性能的影响,结果表明:单独的氮掺杂和硫掺杂都能够提高石墨烯的氧还原催化性能;并且,由于氮和硫之间的协同效应,氮硫共掺杂的石墨烯比氮或者硫单掺杂的石墨烯具有更好的催化活性;当少量的铁加入以后,氮硫共掺杂石墨烯的催化性能得到急剧的提升。其中,铁对催化性能的促进作用可能由于:（i）铁在石墨烯热膨胀的过程中,作为催化剂选择性的促进形成N-C活性位;（ii）催化剂中残留的铁形成了新的Fe-Nx-C活性位。（4）以聚丙烯腈纳米球、磷酸氢二铵和三氯化铁为前驱体,在氮气氛下,热裂解,制备得到了氮、磷和铁多元素共掺杂的碳纳米微球催化剂（（Fe）N-P/Cns）。该催化剂的比表面积高达771.3 m2 g-1,并且具有多级孔结构。在碱性介质中,（（Fe）N-P/Cns）具有较好的氧还原催化活性,和优于商业Pt/C催化剂的稳定性和甲醇耐受性能。我们探索了磷酸氢二铵和三氯化铁的加入对催化剂结构和性能的影响,该催化剂的杰出的催化活性可归功于（i）氮磷共掺杂的协同效应;（ii）残留的铁对催化剂活性的促进作用;（iii）其高表面积和多级孔结构有利于传质。（5）为了解决石墨烯片层的团聚问题,我们以氧化石墨、三聚氰胺、乙酸钴和酸处理过的碳纳米球为前驱体,在氮气氛下热裂解、还原和掺杂,制备得到了碳纳米微球插层的钴氮共掺杂3D石墨烯催化剂（Co-N-GCI）。在碱性溶液中,其氧还原反应催化活性明显优于商业Pt/C催化剂,同时具有优异的稳定性。其中,碳纳米球作为石墨烯纳米膜间的“间隔器”阻碍了石墨烯片层的堆叠,增加了石墨烯的可接触面积,为电解液提供了大量的通道,从而有利于反应物向活性位的扩散;同时碳纳米球可以作为石墨烯平面间电子转移的“捷径”,保证了材料的高电导率。（6）以氧化石墨烯、邻二氮菲、硫磺和乙酸钴为前驱体,通过简单的热处理方法,制备得到氮硫共掺杂孔状石墨烯负载空心钴的硫化物纳米颗粒复合催化剂（CoxSy/N-S-rGO）。在碱性介质中,该催化剂表现出显著优有商业Pt/C的氧还原反应催化性能,且具有非常好的稳定性和甲醇耐受性。研究表明,其卓越的催化性能可能归功于:（i）多种形式的活性位（包括:钴的硫化物纳米颗粒、氮硫掺杂剂、边缘碳和可能的Co-Nx-C活性位）之间的协同效应;（ii）高比表面积,和多级孔结构有利于传质过程。