化石燃料的迅速枯竭和环境污染促使我们寻找可持续的和清洁的能源资源。直接甲醇燃料电池（DMFC）可以将化学能直接转化为电能,而且拥有能量密度高、无污染、运行温度较低等优点,被认为是一种很有前途的便于携带的和辅助动力装置技术。目前,DMFC具有很大的应用潜力,例如便携式电源、电动汽车电源等。然而,阴极的氧还原反应（ORR）动力学缓慢、催化剂在甲醇溶液中的稳定性差、常用的电解质膜（Nafion膜）和贵金属基阴极催化剂成本高是阻碍DMFC商业化发展的主要障碍。本论文旨在制备ORR催化性能好,成本低,对甲醇不敏感的Mn基氧化物型阴极催化剂,降低成本并提高ORR催化性能。为此,本课题做了如下三个方面的工作:（1）采用溶剂热法,通过控制表面活性剂吐温-80的用量,合成了具有花状（Mn₂O₃-F）、球状（Mn₂O₃-G）和菱形（Mn₂O₃-R）结构的Mn₂O₃催化剂。以PtRu/C作为阳极催化剂,Mn₂O₃作为阴极催化剂和聚合物纤维膜（PFM）组装电池,Mn₂O₃-G具有比Mn₂O₃-F和Mn₂O₃-R都高的ORR催化性能。室温下Mn₂O₃-F、Mn₂O₃-G和Mn₂O₃-R的最大功率密度分别为11.44mW·cm^-2、21.03 mW·cm^-2和10.22 mW·cm^-2。系统地研究了表面活性剂吐温-80对Mn₂O₃催化剂的微观结构和ORR催化性能的影响。测试表明,与Mn₂O₃-F和Mn₂O₃-R相比,Mn₂O₃-G具有更多的氧空位,不仅可以提高Mn₂O₃本身的电导率,并且能够充当吸附氧气和催化反应的活性中心,以获得较高的ORR催化性能。（2）由于Mn₂O₃具有较好的ORR催化性能,在此基础上,分别合成了异质结型Fe₂O₃/Mn₂O₃复合材料和MnFe₂O₄固溶体,并对比了它们的催化性能差异。Fe₂O₃/Mn₂O₃是由Fe₂O₃和Mn₂O₃组成的,Fe₂O₃纳米粒子均匀地分散在Mn₂O₃基体上,且两相之间具有明显的异质界面。CV测试表明Fe₂O₃/Mn₂O₃（3:1）比Fe₂O₃/Mn₂O₃（1:1）、Fe₂O₃/Mn₂O₃（1:3）、Fe₂O₃/Mn₂O₃（5:1）和MnFe₂O₄都具有更高的ORR催化性能。异质界面可以提供一个很强的内部电场,增加电子转移,而不同Fe/Mn比例代表了异质界面浓度的差异。随着Fe/Mn比例的增加,异质界面浓度不断增大,ORR催化性能逐渐提高。然而,当Fe₂O₃过量时,大量Fe₂O₃纳米粒子包裹在Mn₂O₃基体上,阻碍了Mn₂O₃的催化中心与氧气和电解质的接触,降低了ORR催化性能。DMFC测试表明,室温下Fe₂O₃/Mn₂O₃（3:1）的最大功率密度为20.29mW·cm^-2,40℃时为32.4 mW·cm^-2。其优异的催化性能是由于其比表面积大、异质界面对于电荷传输效率的提升,另外Fe₂O₃与Mn₂O₃之间的协同效应可以提高氧气吸附能力并加速氧气传输。（3）为提高非贵金属催化剂的导电性,以脲醛树脂（UF resins）为原料,采用直接炭化法,合成了脲醛树脂基碳微球（UFC）和含铁的脲醛树脂基碳微球（Fe-UFC）。在此基础上,利用原位氧化还原的方法,成功地制备了氮掺杂的UFC/MnO₂和Fe-UFC/MnO₂复合材料。前驱体UF resins不仅是氮的来源,而且是导电基体碳的来源。室温下,以UFC/MnO₂和Fe-UFC/MnO₂为催化剂的DMFC最大功率密度分别为15.96 mW·cm^-2和24.30 mW·cm^-2,40℃时最大功率密度为26.86 mW·cm^-2和40.80 mW·cm^-2。Fe-UFC/MnO₂优异的ORR催化性能是由于其中存在Fe-N_x和大量的吡啶型氮。吡啶型氮的孤对电子可以与过渡金属元素配位,在Fe-UFC/MnO₂上形成Fe-N_x基团,可作为氧还原的电催化活性中心,形成更多的活性位点。另一方面,铁的存在降低了材料的带隙,使电子更容易从价带向导带转变,加速了Mn（III）向Mn（IV）的迁移,为表面吸附的O₂或活性氧物种提供自由电子,使O₂还原为OH^-。因此,铁的存在可以提高催化剂的电导率,加速氧还原催化效率。