燃料电池可以清洁地将化学能转化为电能,且具有便携高效等特点,因而受到了广泛的关注。虽然近年来燃料电池已经开始应用于一些新型汽车中,但由于其造价过高,寿命不够长而使其进一步的商业化应用受到了限制。因此开发低成本,稳定高效的燃料电池氧还原催化剂是推进燃料电池工业化应用的决定性因素。本论文采用酸碱双体系燃料电池(PEM/AEMFCs)为电化学测试环境,研究以改性纳米碳管为载体的铂催化剂和非贵金属催化剂的催化氧还原活性和稳定性。PEM/AEM燃料电池是一种可以实现其阳极在酸性环境下发生电极反应而阴极在碱性环境下发生电极反应的燃料电池。因此可以延长阴极铂催化剂的使用寿命,同时也使得在阴极上使用非贵金属催化剂成为可能。本文分别通过混酸超声法和浓氨水超声法在纳米碳管上掺杂了含氧官能团和含氮官能团,并通过化学还原法将铂纳米颗粒负载在改性的纳米碳管上。采用HRTEM表征催化剂铂颗粒的大小和形态,并采用电化学测试等手段研究催化剂载体官能团对铂颗粒大小和形貌的影响。结果发现载体纳米碳管表面的官能团对铂颗粒的大小和形态均有影响。载体表面掺杂有含氮官能团和含氧官能团的铂催化剂Pt/CNTON的铂颗粒最小,仅为3.71 nm,而商业铂催化剂Pt/C的铂颗粒最大。采用XPS表征手段研究改性纳米碳管及催化剂的表面性质,研究改性纳米碳管对催化剂表面性质的影响。研究发现Pt/CNTON表面有最多的羰基和最少的羧基官能团。将三种铂催化剂应用于PEM/AEM燃料电池的阴极研究铂催化剂的改性载体对其催化性能的影响。发现在氢氧PEM/AEM燃料电池中Pt/CNTON的催化氧还原活性最高,其次为Pt/CNTOX,Pt/C的催化氧还原活性最低。然而在甲醇PEM/AEM燃料电池中Pt/CNTON的稳定性非常差,催化氧还原反应开始后其催化活性迅速降低,在三种铂催化剂中催化氧还原活性和稳定性均最差。而Pt/CNTOX在甲醇PEM/AEM燃料电池中的催化氧还原活性和稳定性最好。分析原因为Pt/CNTON表面的含氮官能团为供电子基团,因此会攻击从阳极渗透到阴极表面的甲醇上的质子,从而促进了甲醇在阴极上的氧化反应。甲醇氧化副反应的发生不仅会占用催化氧还原反应的活性位,同时副反应的中间产物还会毒化铂催化剂。通过热处理法制备了酞菁铁催化剂。首先采用重氮反应在纳米碳管表面成功掺杂了轴向吡啶氮。同时采用高温法以三聚氰胺为氮源在纳米碳管表面掺氮。然后采用热处理法制备了三种酞菁铁催化剂P-FePc-py-CNT,P-FePc-CNTN和P-FePc-CNT。XPS测试发现P-FePc-py-CNT的Fe 2p原子核内层光电子能谱的Fe 2p2/3峰正向移动。结合拉曼光谱测试结果,P-FePc-py-CNT的纳米碳管表面的缺陷位比P-FePc-CNT的多,由此可以推断热处理后P-FePc-py-CNT的轴向配位键仍然存在。将三种热处理酞菁铁催化剂应用于氢氧PEM/AEM燃料电池的阴极进行电化学测试,并与非热处理酞菁铁催化剂FePc-py-CNT进行比较。结果发现所有热处理酞菁铁催化剂的催化活性均明显高于非热处理酞菁铁催化剂。由此可知非贵金属催化剂的结构对其催化氧还原活性起到了决定性的作用。热处理酞菁铁催化剂中P-FePc-py-CNT的催化氧还原活性最高,原因是轴向配位键可以固定Fe,同时可以增强催化剂载体和催化活性位间的电子传导。研究了钴基催化剂在PEM/AEM燃料电池中的催化氧还原性能。分别通过超声法和四氢呋喃冷凝回流法制备热处理酞菁钴催化剂CoPc-CNTS和CoPc-CNTR。XPS测试结果表明两种热处理酞菁钴催化剂表面的不同含氮官能团的比例不同。CoPc-CNTS表面有最多的吡啶型氮和次多的吡咯型氮,而CoPc-CNTR表面有最多的吡啶型氮和次多的石墨型氮。将两种热处理酞菁钴催化剂应用在氢氧PEM/AEM燃料电池的阴极上催化氧还原反应发现,CoPc-CNTS的催化活性和稳定性均高于CoPc-CNTR。因此酞菁钴催化剂表面不同含氮官能团的比例会影响其催化氧还原的活性,吡啶型氮和吡咯型氮的协同催化作用可以促进热处理酞菁钴催化剂的催化氧还原活性。为研究钴氧化物催化氧还原的活性,分别制备了 Co304/CNT和CoO/CNT两种钴氧化物催化剂。通过XRD和XPS测试证实两种钴氧化物催化剂分别以四氧化三钴和氧化钴的形式存在。将两种钴氧化物催化剂应用在甲醇PEM/AEM燃料电池的阴极时发现两种钴氧化物催化剂的活性均不理想。比较可知所有钴基催化剂中热处理酞菁钴催化剂的催化活性高于钴氧化物的催化活性,所有非贵金属催化剂中P-FePc-py-CNT的催化活性最高。本研究制备出了可以应用于实际燃料电池中的催化氧还原活性较高的非贵金属催化剂,并掌握了提高非贵金属催化剂催化氧还原活性的一些规律。研究结果对指导设计高效稳定的铂催化剂和非贵金属催化剂和在燃料电池中氧还原反应的应用具有一定的参考价值。