燃料电池的性能很大程度上取决于与阴极催化剂上氧还原反应(ORR)相关的阴极极化。Pt-基催化剂因其较高的催化活性和电子导电性而成为直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)阴极ORR反应的最佳催化剂。然而Pt昂贵的价格和稀缺的资源成为限制它在燃料电池中应用的主要原因。因此开发稳定性高、催化活性好的ORR非贵金属催化剂是目前的主要工作之一。众多已尝试过的非贵金属催化剂中，过渡金属大环化合物催化剂（如Fe/N/C和Co/N/C），因其具有较高的ORR活性和显著地选择性而被广泛的研究，成为引人关注的重要非贵金属催化剂。其中Co/N/C体系催化剂在催化性能、稳定性及抗硼氢酸根腐蚀方面都有一定的优势，是一种极具应用潜力的DBFC非贵金属催化剂。目前，还未从实验上获得该类催化剂活性位中Co-Nx键的配位方式，以及在DBFC放电过程中的具体存在形式。因此，对过渡金属在活性催化位点形成过程中及其在催化ORR过程中所起作用的研究，仍然是催化剂活性位研究的主题。此外，Co基复合物中Co可以以多种价态的形式存在，这对于Co基复合物与碳载体以及高分子聚合物之间的键合作用也存在一定影响。因此，对催化剂中Co的价态变化与催化剂的催化活性之间的关系的研究，有助于从根本上对Co基复合物催化剂催化ORR的机理进行研究。同步辐射X射线吸收谱(XAFS)具有元素选择性的特点，其中近边吸收谱(XANES)能够直接反映元素的价态信息，拟合扩展边精细结构(EXAFS)可以获得中心吸收原子周围的配位数、键长、无序度等因素。对DBFC进行原位XANES和X射线衍射(XRD)测试能够根据需要记录DBFC放电过程中催化剂活性位中原子结构、电子结构和催化剂物相的微小变化。因此，这些方法是对催化剂中活性位和催化机理进行研究的理想工具。　　 本文主要利用XAFS及XRD技术结合常规测试表征技术及电化学性能测试对DBFC中聚吡咯修饰的碳载氢氧化钴(Co(OH)2-PPy-BP）阴极催化剂的催化活性位及其催化机理进行了研究。本文首次设计了可在DBFC放电过程中对其阴极催化剂进行原位XAFS和XRD测试的实验装置，并且利用该装置对Co(OH)2-PPy-BP催化剂在DBFC中催化ORR的机理进行了同步辐射原位表征研究。　　 本文第一章，对燃料电池和DBFC进行了简单介绍，并详细回顾了DBFC的催化剂，以及过渡金属大环化合物催化剂的发展现状和未解决的问题。在此基础上提出本文所要研究的问题。　　 本文第二章，对XAFS的基本理论、实验方法、实验注意事项，以及数据处理中的注意事项进行了概括和总结，是本论文实验和数据处理的重要理论基础。　　 本文第三章，主要介绍了用化学浸渍法制备Co(OH)2-PPy-BP催化剂样品的步骤，并简单介绍了所用的各种实验方法以及电池电极的制作方法。　　 本文第四章，利用XPS、XAFS和XRD等实验方法对Co(OH)2-PPy-BP催化剂进行原子及电子结构表征，并与催化剂的电化学性能测试相结合对催化剂的催化活性位进行研究。研究表明Co-Nx是Co(OH)2-PPy-BP催化剂催化ORR反应的活性位的结论，并从实验上证实了该催化剂中一个Co原子只能与聚吡咯长链中的两个N原子相结合的理论结论。最后与已有的理论研究结果相结合，对其催化方式进行了讨论及解析。　　 本文第五章，详细介绍了自行设计的催化剂原位测试装置，并进行初步实验对其可行性进行了验证。该工作是原位研究Co(OH)2-PPy-BP催化剂在DBFC中催化ORR反应机理的实验基础。　　 本文第六章，利用同步辐射XANES和XRD技术对DBFC中阴极Co(OH)2-PPy-BP催化剂进行了原位研究。本工作首次直接在实验中观察到DBFC放电过程中，阴极Co(OH)2-PPy-BP催化剂中Co元素的价态变化与放电电流值之间的关系，从实验上证实了Co2+/Co3+氧化还原离子对是Co(OH)2-PPy-BP催化剂催化氧发生还原反应的原因，同时对ORR的反应机理进行了详细的讨论和解析。