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直接甲醇燃料电池(DMFC),由于其高的功率密度和液体燃料易于存储和补给等优点,被认为是最有可能作为便携式设备的电源。然而,作为DMFC中电催化氧还原反应(ORR)的阴极催化剂是制约DMFC发展的主要问题所在,例如,阴极催化剂高的Pt使用量、缓慢的ORR动力学过程,以及甲醇易从阳极透过Nafion膜到达阴极,造成“混合电位”。因此,开发低成本、高ORR活性且抗甲醇的阴极催化剂显得非常有必要。Pd和Pt具有相似的晶格常数和电子性质,且地壳储量较Pt丰富,同时Pd在酸性介质下对甲醇氧化呈非活性。但是相对于Pt电极,Pd对ORR电催化活性仍显得不足。本论文以Pd基的Pd-Pt二元催化剂为研究对象,从催化剂的结构和负载催化剂的碳材料性质出发,探讨了Pd-Pt二元催化剂的合成途径、原子组成、晶体结构以及不同碳载体材料对其ORR活性、选择性和稳定性的影响。采用柠檬酸钠络合还原法制备出粒子分散均匀且合金化程度高的Pd-Pt/C催化剂。通过Pd、Pt离子与柠檬酸之间形成络合物,改变了其还原速率,实现了Pd、Pt离子的共还原。Pd-Pt纳米颗粒均匀地分散在碳粉表面,X射线衍射表明Pd-Pt/C催化剂以单相的面心立方结构形式存在。当Pd/Pt原子比为1：2时,对应的原子间距为0.2782nm,Pd1Pt2/C催化剂表现出了最高的ORR活性,同时是一种ORR选择性的催化剂。此外,适当的热处理温度提高了Pd-Pt/C催化剂的ORR电催化活性；当温度过高,催化剂粒子长大,导致其对ORR的质量比活性降低。实验中通过少量Pt表面修饰Pd/C得到Pdcore-Ptshell结构的催化剂,由于乙二醇弱的还原能力和Pd、Pt晶格常数的相似性,Pt原子择优在Pd晶核上形核生长。对单个颗粒的元素分析显示Pd、Pt原子在粒子表面同时存在。CO溶出伏安测试也证明了Pt原子簇在Pd晶核上的修饰,即不同位置上吸附的COad对应于不同氧化峰。相对于初始的Pd/C催化剂,Pd@Pt/C催化剂的ORR活性获得大幅提高,同时表现出了一定的抗甲醇能力。碳载体在DMFC中不仅起到分散金属催化剂的作用,而且担任电化学反应的电子传输和提供燃料、反应产物的扩散通道。故研究了不同碳载体负载高载量的Pd3Pti合金催化剂对ORR的电催化性能,碳载体材料包括碳粉(Vulcan XC-72)、碳纳米管(SWCNTs/MWCNTs)和有序介孔碳(OMC)。其中,Pd3Pt1/OMC催化剂具有最高的ORR性能,其上电催化ORR主要经历四电子途径生成水。采用Pd3Pt1/OMC作为膜电极的阴极催化剂,组装成单电池测试,其峰值功率密度为25.3mW·cm-2,要高于阴极催化剂为Pt/C的单电池。究其原因,一是由于Pd3Pt1/OMC催化剂高的ORR活性和抗甲醇能力,二是由于OMC的有序孔结构有利于O2的扩散和产物水的排出,缓解了阴极“水淹”。进行了石墨烯负载Pt和Pd-Pt催化剂的制备和性能研究,首先采用改进的Hummers法氧化鳞片石墨,再震荡剥离得到氧化石墨烯(GO)水溶液。为了有效地在还原后的石墨烯(RGO)表面沉积金属粒子,实验中引进了聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)分子对GO表面功能化。在带正电荷的PDDA分子与[PdCl4]2和[PtCl6]2-之间的静电作用下,金属离子首先被组装到GO表面,随后经乙二醇一步还原得到了Pt/PDDA-RGO和Pd-Pt/PDDA-RGO催化剂。相对于未功能化的RGO负载Pt和商业化的Pt/C(JM)催化剂,Pt/PDDA-RGO催化剂表现出更高的ORR活性和稳定性。前者可归因于Pt颗粒尺寸细小和高的分散度,后者是由于PDDA分子与Pt原子间的电子作用以及对Pt颗粒的钉扎作用,减缓了Pt的氧化和脱落聚集的趋势。对于Pd-Pt/PDDA-RGO催化剂,ORR活性随合金中Pt含量升高而增强。经加速耐久性测试之后,Pd-Pt/PDDA-RGO催化剂的ORR活性反而提高了,这与催化剂表面富Pt化有关。