质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种能将燃料的化学能不需经过燃烧直接转换成电能的发电装置,具有能量转换效率高、噪音低、环境友好等优点,在新能源汽车、便携式备用电源等领域具有广阔的应用前景。由于PEMFC阴极的氧气还原反应（ORR）动力学过程缓慢,所以目前PEMFC均使用大量的Pt基贵金属催化剂以促进阴极的ORR,导致燃料电池成本过高,限制着PEMFC的商业化发展。为了降低催化剂的成本,推动PEMFC的商业化进程,发展低成本、高活性和高稳定性非贵金属催化剂具有十分重要的意义。近几年来,以Fe/N/C为代表的掺杂碳基催化剂在催化活性上取得很大突破,但是,这类催化剂实际用于PEMFC阴极时,面临严重稳定性/耐久性差的问题,使其实际应用受到阻碍。因此,探究和剖析碳基催化剂在PEMFC的衰减机理,并寻找有效策略提高其稳定性/耐久性有极为重要的理论及实际应用价值。本论文率先在实际PEMFC单电池环境下研究了铁和氮掺杂碳基催化剂（Fe/N/C）的衰减现象及其衰减机理,并在此基础上探索提升Fe/N/C催化剂在PEMFC中稳定性/耐久性的策略及方法。论文的主要研究内容和成果如下:（1）Fe/N/C催化剂在PEMFC实际工况下衰减机理的研究。使用单原子铁和氮原子共掺杂的ZIF-8衍生碳催化剂（Fe/N/C）作为PEMFC膜电极（MEA）阴极催化剂,在燃料电池实际工况下考察了 Fe/N/C催化剂的稳定性/耐久性。研究结果表明:采用Fe/N/C催化剂作为阴极的MEA表现出较好的初始活性,但随着恒流放电的进行,MEA的性能迅速衰减,10 h衰减高达49.3%。不同放电时间阴极催化剂中Fe含量测试及不同酸处理时间的催化剂在MEA的性能测试表明MEA性能的衰减和催化剂铁含量的减少密切相关。原位ORR和EIS测试也证明催化剂中Fe的溶出引起活性中心的破坏是Fe/N/C催化剂稳定性/耐久性差的主要原因。同时发现Fe/N/C催化层的水淹、H2O2/活性氧自由基（ROS）的攻击以及碳腐蚀也是导致Fe/N/C催化剂在PEMFC中性能快速衰减的重要原因。（2）基于Fe/N/C催化剂层具有较强的亲水性、容易出现水淹的特点,我们尝试在催化剂层中添加疏水剂以改善催化层的亲/疏水性能。以Fe/N/C为PEMFC阴极催化剂,首次构筑双层Fe/N/C阴极催化层,并在外层添加PTFE制备疏水性强的Fe/N/C阴极催化层。通过优化发现,当PTFE的添加量为20 wt.%,不仅能提升Fe/N/C催化剂在MEA大电流密度下的性能,也能有效增强其稳定性/耐久性,恒流放电10 h后,性能衰减为28.3%。通过放电前后MEA原位ORR、EIS及阴极催化剂铁含量变化的研究表明Fe/N/C阴极催化层疏水性的提高能减少发生水淹的风险,既能保证阴极催化层气体的扩散,又能在一定程度上抑制Fe/N/C中Fe的溶出和碳的腐蚀,实现催化剂在PEMFC中稳定性/耐久性的提升。（3）选取CeO2纳米粒子为过氧化氢（H2O2）和活性氧自由基（ROS）清除剂,提出将其直接添加到Fe/N/C阴极催化层中,以清除H2O2和ROS。RDE和RRDE的测试结果表明,当CeO2的添加量为2 wt.%时,可在一定程度上增强催化剂的催化活性,同时可大幅度降低H2O2产率。MEA测试结果也表明,当CeO2的添加量为2 wt.%,MEA性能最佳;同时其稳定性/耐久性也得到大幅度提升,10 h恒流放电之后,MEA的性能衰减仅为24.5%。通过MEA放电前后的原位ORR、EIS及催化层的XPS研究得出:催化剂层添加CeO2能及时分解ORR过程产生的H2O2/ROS,减少H2O2/ROS对质子交换膜、Nafion粘结剂以及催化剂的攻击,从而减缓膜电极性能的衰减,提升催化剂在PEMFC中稳定性/耐久性。（4）合成了 Zr掺杂的Zr@ZIF-8作为前驱体,通过热裂解和气相掺杂技术,首次制备了前过渡金属Zr和后过渡金属Fe共掺杂的Fe-Zr/N/C催化剂。表征结果表明Fe和Zr均以原子形式均匀分散在催化剂骨架中。Zr的引入有助于增加催化剂活性位点密度,提高催化活性。催化性能最优的Fe-Zr/N/C催化剂在0.1 M HClO4溶液中,半波电位高达0.81 V vs.RHE;将其作为阴极催化剂应用于H2-Air PEMFC时,0.7和0.6 V时电流密度高达0.7和1.1 A cm-2,最大功率密度为0.75 W cm-2,是目前为止单电池性能最好的掺杂碳基催化剂。更为重要的是:研究发现Zr原子的引入能有效减少H2O2/ROS的产生,并能有效抑制催化剂中Fe的溶出,有效提升了其在PEMFC中的稳定性/耐久性。在H2-Air条件下进行20 h的恒流放电,电压衰减仅为18.5%（Fe/N/C催化剂的衰减幅度为 39.7%）。