能源危机和环境污染是制约21世纪人类社会经济可持续发展的两大潜在问题。直接甲醇燃料电池为解决当前能源危机和环境污染提供了一条有效途径,而催化剂的研究则是解决甲醇燃料电池低温催化的关键性技术。本论文结合当前电催化领域研究新动向,选取半导体二氧化钛和金属铂基为催化剂主体,系统研究了改性后的Pt/TiO2体系对甲醇氧化反应的催化特性,利用第一性原理深入探究了其催化作用机理,根据研究结果首次提出了氢化处理直接甲醇燃料电池的构想。本文的研究不仅对改进的新型催化剂具有指导意义,而且也为新型能源器件的设计提供了一定的理论基础。论文主要研究内容和结论如下:(1)利用第一性原理和周期边界模型对铂镍载锐钛矿二氧化钛这一负载型催化剂体系界面作用及其在甲醇吸附解离中的催化机理作了系统的研究。密度泛函理论与投影缀波和赝势法相结合,对比了Pt4和Pt3Ni在锐钛矿二氧化钛{101}晶面上的吸附,并对两个稳定的Pt3Ni吸附构型(蝴蝶型和正四面体型)进行了探讨。计算了Pt3Ni两个稳定吸附构型的分波态密度和Bader电荷,Pt-Ni团簇中从Ni原子到Pt原子发生的电子转移导致Pt原子的电子结构被修改。Pt3Ni团簇吸附在锐钛矿{101}表面后形成的2cO(3cO)-Pt Ni-5cTi吸附模式,为电子在Pt-Ni团簇与锐钛矿{101}界面间的相互传递提供了一种可行性通道。Pt3Ni/TiO2体系的化学活性优于Pt4/TiO2体系,不仅体现在吸附在Pt3Ni/TiO2体系上的甲醇分子通过O-H键优先断键的反应能垒降低,而且合金团簇能够有效降低对甲醇解离中间产物CO分子的吸附。(2)制备并用氢气处理了主暴露晶面为{101}晶面的单晶锐钛矿二氧化钛纳米带,用于负载铂纳米颗粒参与甲醇氧化反应。暗态条件下,与未用氢气处理的二氧化钛{101}基底相比,氢气处理的二氧化钛{101}基底负载铂对甲醇氧化的电流密度增加了228%。通过第一性原理研究了氢气处理的二氧化钛{101}晶面与铂之间的协同作用,发现氢处理能够显著移动二氧化钛的费米能级进入导带,增加二氧化钛的导电性,降低甲醇第一步解离步骤的反应能垒。氢处理二氧化钛为发展负载铂基的非碳型高效电催化活性基底提供了一定的实验和理论依据。(3)通过水热法在钛箔上制备出锐钛矿型二氧化钛纳米线,利用浓度为5%-20%的氢气进行处理后,采用光沉积法在其表面沉积铂纳米颗粒。随着氢气浓度的增加,二氧化钛表面铂纳米颗粒的沉积量先增加后减少,其中10%氢气浓度处理的二氧化钛表面沉积的铂纳米颗粒具有最大的化学活性面积,该体系在碱性环境中对甲醇的氧化反应也具有最高的电催化性能。通过对不同浓度氢气处理的二氧化钛结构进行分析,发现氢气处理过程中引入适度浓度的空位和缺陷有利于铂在二氧化钛纳米线上的沉积生长。