低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池等。作为一种能量效率高、无污染的新型能源，在电动汽车和便携式电子设备等方面的应用有很光明的前景。其中的直接醇类燃料电池和氢燃料质子交换膜燃料电池相比具有更高的理论能量密度和可逆能量效率。另外，液体燃料在使用中更加安全，在燃料的储存和运输过程上也更加方便，可以充分利用现有的燃料供给设施。所以无论是在酸性还是碱性环境中对于直接醇类燃料电池的研究引起广泛的关注。 然而，尽管从理论上认为直接醇类燃料电池很有潜力，但是液体醇类燃料电池存在着一些技术上的难题，包括：醇氧化的动力学过程非常缓慢：液体醇通过聚合物电解质膜渗透到阴极产生混合电位导致电池系统效率降低；燃料电池阴极氧还原动力学过程缓慢，具有较大的过电位。本研究的重点在于直接醇类燃料电池阴极催化剂的研究。目前广泛使用的阴极催化剂是基于Pt的催化剂，但是它存在价格贵、易毒化、氧还原过电位高等缺点。针对阴极存在的问题对新型催化剂的要求一是降低氧还原的过电位，提高电池的输出电压。二是要求对氧还原具有选择性，不会在阴极形成混合电位，避免电池效率的降低。三是要求成本低，有利于实现广泛的商业应用。针对Pt催化剂的缺点本论文研究了基于纳米碳化钨的新型氧还原催化剂。并采用XRD、TEM、XPS、EDX等手段对催化剂进行表征，采用循环伏安法、线性扫描法、计时电流法、交流阻抗法等电化学方法研究了酸性溶液中和碱性溶液中的氧还原反应，同时用旋转盘—环电极技术研究了氧还原反应的机理，求得氧还原过程中的电子转移数和其他一系列动力学参数。最后以新型催化剂为阴极催化剂，进行了直接醇类燃料电池的全电池表征。 碳化钨是将碳原子融解到钨晶格内形成的间隙化合物，这种碳化物材料具有独特的物理和化学特性。它们的特性综合了三种材料的性质：共价化合物、离子晶体和过渡金属。它们具有共价化合物的高强硬度和脆性，具有离子晶体的高熔点和简单晶体结构的特点，而它们的电和磁特性又和过渡金属相似。碳化钨的形成改变了金属钨的d轨道特性，这样造成碳化钨具有不同于金属钨而和第八族贵金属相似的催化特性，在催化方面已被证实有广泛的应用。 本论文中首先用本实验室自创的交替微波加热法制备了纳米碳化钨。交替微波加热法具有加热温度高、反应速度快和制备的催化剂颗粒小等优点。通过控制前驱体的浓度可以控制最终产物的成分和颗粒大小。本研究通过探索可以制得W2C/C和W2C/WC/C两种碳化钨粉末。所得碳化钨粉末颗粒大小在10纳米以下。酸性溶液中碳化钨粉末对氧还原没有催化活性，其原因有待进一步研究。在碱性溶液中碳化钨对氧还原有催化活性，且其催化的氧还原反应不受醇类的影响，此催化剂对氧还原有很好的选择性。通过旋转盘环电极研究证明碳化钨催化的氧还原反应是二电子过程。 本工作制备了W2C/Pt/C复合催化剂，该类催化剂在酸性和碱性环境中对氧还原反应都有很好的催化活性，其催化性能优于传统的Pt/C催化剂，具有更小的过电位(更正的氧还原起始电位)。在复合催化剂上氧还原反应的起始电位与Pt/C相比有100多毫伏的正移。而且复合催化剂对氧还原的选择性也非常好，实验验证了各种浓度的甲醇对氧还原反应的影响，无论在酸性溶液中还是在碱性溶液中，复合催化剂催化的氧还原反应都几乎不受甲醇的影响。通过旋转盘环电极研究证明碳化钨增强的复合催化剂催化的氧还原反应是直接四电子过程。应用在直接甲醇燃料电池中，用自制的催化剂制得的膜电极(MEA)的放电性能优于商用催化剂。 本工作还制备了基于碳化钨的非铂催化剂。非铂催化剂是燃料电池阴极催化剂研究的一个热点，目标是采用廉价的催化剂得到燃料电池适用的催化性能。本研究制备了W2C/Ag复合催化剂并在碱性环境中研究了此催化剂的催化性能，证明它对氧还原的催化活性和Pt催化剂相似，具有近似的氧还原起始电位和还原电流，同时通过旋转盘环电极机理研究证明此复合催化剂催化的氧还原反应的机理和Pt催化剂一致，其催化的氧还原反应是直接四电子过程。研究了四种代表性的小分子醇对此复合催化剂催化的氧还原的影响，证明在比较高浓度的醇溶液中此复合催化剂对氧还原的选择性很好。 本研究成功地探索了氧还原新型催化剂，以碳化钨为出发点，制备了一系列的新型催化剂，并证明它们具有良好的氧还原催化性能。本研究制备的复合催化剂除了应用在低温燃料电池阴极催化剂，还可以用于析氢催化剂、氧传感器和金属—空气电池等方面。