随着全球化石燃料的日渐枯竭和环境污染的日益突显,新型能源的转换利用与存储成为目前科学研究的热点问题。直接甲醇燃料电池（DMFCs）因燃料来源丰富、功率密度和能量密度高、储存携带方便等特点,已成为最有发展前景的动力电池之一,在民用、军事、交通器件等领域具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。目前,Pt基催化剂依然是DMFCs的首选,而其储量有限、价格高昂,且其易受含碳中间物种毒化、缓慢的反应动力学过程等问题严重阻碍了DMFCs的商业化进程。基于此,以结构和组成两个重要的催化剂设计原则为指导,充分利用双功能效应、电子效应以及应变效应间的协同效应,构筑具有特定结构、组成和形貌的贵金属催化剂,开发高性能电催化剂的先进制备技术是当前阳极催化剂研究的主攻方向。本论文在追踪当前阳极催化剂发展现状的基础上,针对当前催化剂中存在的不足,开展了如下几个方面的研究工作:一、充分利用氮掺杂对铂纳米粒子的成核和分布显著的促进作用,以及中空结构对提高贵金属利用率、加快电子和质量的传输速率的增强效应,采用二氧化硅硬模板法、直接热解法和微波辅助乙二醇法制备了具有超薄介孔壁的富氮多孔碳中空微球（HNPHCS）担载的铂催化剂（Pt/HNPHCS）。SEM和TEM结果表明,HNPHCS具有超薄的介孔壁（1nm）和中空结构（140nm）,且其比表面积高达805.23m2g-1。因而,大量粒径较小的Pt纳米粒子（2.1nm）均匀地分布在HNPHCS载体的表面。此外,特殊的分级多孔结构有利于保证丰富的活性位点充分暴露于三相界面,同时又缩短了催化氧化过程中的电荷和传质通道以促进电子和质量高效地传输。因此,目标催化剂Pt/HNPHCS具有比商业Pt/C催化剂和未用模板法制备的催化剂更高的Pt利用率、更优异的甲醇电氧化电流密度以及强稳定性。二、针对TiN在强氧化性溶液高氯酸中易钝化而致使其电导率降低的问题,以TiN纳米颗粒为核,通过偶联剂的表面修饰,成功实现了聚苯胺在TiN表面的原位自组装。经高温热解和微波辅助乙二醇法制备了具有核壳结构的TiN@富氮多孔碳（NDC）担载的Pt催化剂（Pt/TiN@NDC）。物理表征结果显示,偶联剂为聚苯胺的原位自组装提供了充足的位点,对核壳结构的构筑起到了至关重要的作用。具有介孔结构的富氮多孔碳层的厚度为7nm左右,保证了电解质顺利传输的通道。此外,富氮多孔碳的添加不仅对TiN纳米颗粒的比表面积、贵金属分布和电导率起到增强效应,且明显地改善了TiN在高氯酸溶液中的钝化。电化学测试结果表明,Pt/TiN@NDC催化剂具有比Pt/TiN、Pt/NDC和商业Pt/C催化剂更为优异的电化学活性比表面积、甲醇电氧化活性和稳定性。这得益于Pt和载体间的电子效应和双功能效应,吸附在Pt活性位点的含碳中间物种易被OH含氧基团氧化,因而,Pt/TiN@NDC催化剂具有高效的抗CO毒化的能力。三、基于有序的分级多孔结构的独特优势和组分间的协同效应,以中空二氧化钛球（H-TiO₂）纳米刺为模板,为高度有序的聚苯胺纳米晶须的生长提供充足的成核位点,并在聚苯胺生长过程中嵌入介孔尺寸的二氧化硅纳米颗粒以制备介孔结构。经高温热解、刻蚀和微波辅助乙二醇法后,构建富氮分级多孔碳纳米晶须包覆H-TiO₂担载的Pt催化剂（Pt/H-TiO₂@N-HPCN-T）。通过系统地调控反应参数,可可控制备碳材料的形貌和尺寸。研究发现,H-TiO₂纳米刺对一维聚苯胺纳米晶须的定向生长有显著的促进作用。此外,热解温度对载体的微观结构、孔结构、含量以及催化性能都有明显的影响。电化学测试结果表明,热解温度为800℃时,所对应的催化剂Pt/H-TiO₂@N-HPCN-800具有最高的电化学活性比表面积、甲醇电氧化活性、耐CO毒化能力和长期稳定性。在1000圈加速老化测试后,Pt/H-TiO₂@N-HPCN-800催化剂的甲醇氧化电流密度保留率为92.9%。电催化性能显著增强的原因归因于高度发达的三维多孔分级框架（中空微/双介孔结构和一维纳米晶须）的结构优势,最佳的氮掺杂水平、电导率,以及Pt、H-TiO₂和N-HPCN间电子效应和双功能效应的协同作用。