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随着人类文明的进步,当今世界环境污染与能源紧缺已经成为刻不容缓的问题,迫切地需要新的能源形式和新的技术手段。纳米材料和纳米技术的发展促使新技术的进步日新月异,使人类进入了一个新材料时代。石墨烯由于其优异的电子传输性能(电子迁移率高达2 × 105 cIcm2 V-1 s-1)、超高的比表面积(理论值～2630 m2 g-1)、良好的机械性和透光性而引起了科研人员及老百姓的高度关注,在各个领域都表现出强劲的应用潜力。然而,由于二维结构石墨烯的易聚集特性,即便其表面负载了纳米催化剂,它仍倾向于面对面堆垛,致使大量催化剂活性位点被包埋在石墨烯片层之间,无法接触反应物分子,从而使催化剂的性能远未充分发挥。因此,对石墨烯基电催化剂宏观形貌的控制是非常有必要的,合理设计、简单制备催化剂活性中心尽可能暴露的石墨烯基电催化剂材料,不仅可以显著提高催化剂的利用效率,而且可以加快反应物在电催化剂中的传质过程,提高电化学反应动力学。另外,催化剂的性能与其尺寸、成分、形状等微观结构密切相关,在石墨烯载体存在的情况下,催化剂微观结构的优化控制必会进一步提升石墨烯基电催化剂的催化活性和稳定性,但相关的研究工作很少有人涉及且值得探究。本论文针对以上科学问题,合理设计并简单廉价地制备出高活性和高稳定性的石墨烯基电催化剂,并将其应用于直接醇类燃料电池中,极大地提高发电效率和降低成本;本论文将提出高效石墨烯基电催化剂的新形貌、电化学原位可控制备的新技术、电催化剂纳米粒子稳定负载的新思路,这些将会成为提升石墨烯基电催化剂性能的重要途径,为其他科研工作者提供借鉴和参考。具体研究内容如下:（1）石墨烯片层的堆垛使电催化剂纳米粒子被包埋在片层之间,导致催化活性位点没有完全暴露出来。我们在此报道一种简易制备垂直取向开放式石墨烯的方法,在Na2PdCl4存在下采用循环伏安法电解氧化石墨烯（GO）溶液,GO和Na2PdCl4同时被还原,足够量的Pd纳米粒子插层石墨烯片层组装得到垂直取向石墨烯（VrGO）。没有Pd纳米粒子或者低负载量的Pd纳米粒子都会导致沉积得到的石墨烯平躺在电极表面。Pd/rGO纳米片的垂直取向导致其对甲醇电催化氧化活性显著增强。垂直取向石墨烯-Pd催化剂（Pd/VrGO）的质量活性为620.1 A g-1,分别是平躺石墨烯-Pd（Pd/LrGO）和商业Pd/C催化剂的1.9倍和6.2倍。此外,Pd/VrGO催化剂表现了出色的抗CO中毒能力。（2）垂直取向石墨烯基复合材料已经成为一类新兴的电催化剂,但其催化性能还有待进一步提升。这部分我们报道出一种垂直取向石墨烯负载去合金的Pd-Cu纳米粒子催化剂（PdCu/VrGO）,通过简单的循环伏安法电解GO,Na2PdCl4和Cu-EDTA混合溶液而得到。利用扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,X射线衍射（XRD）,拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）对该催化剂的结构和组成进行了详细表征。同时,利用循环伏安法和计时电流法对其电化学性能进行了测试。PdCu/VrGO催化剂对甲醇氧化表现出优异的电催化活性,质量活性高达762.8 Ag-1,是商业Pd/C催化剂的7.1倍。此外,PdCu/VrGO催化剂还表现出良好的化学稳定性和优异的抗CO中毒性。（3）有限的活性位点和极易聚集的特性导致金属纳米粒子的电催化活性和耐久性不尽如人意,基于此,我们通过绿色温和的循环伏安电沉积法构建出一种完全开放的垂直取向石墨烯-聚苯胺载体（PANI@VrGO）,并且使Pd纳米粒子在其上原位沉积,以实现全面暴露和紧密的固定。通过电子显微镜、拉曼光谱、红外光谱和X射线光电子能谱等技术来表征其结构和组成。循环伏安法和计时电流技术表明所得的复合材料具有极高的催化活性（质量电流是商业Pd/C催化剂的3.6倍）,尤其具有优异的催化耐久性。这些结果表明该复合材料是一种优异的电催化剂,可以大规模应用于直接醇类燃料电池中,且这种合成手段为制备其他高活性和高耐久性的纳米粒子基电催化剂提供了一种新的可能性。（4）采用一步电沉积方法合成出一种三维网络结构的还原态氧化石墨烯-碳纳米管复合材料（rGO@CNTs）,并将其应用于高效的非金属氧还原电催化剂。双亲性的GO充当表面活性剂充分分散纯净的CNTs,以得到稳定的GO-CNTs胶体分散液,随后进行一步电沉积得到三维网络结构的rGO@CNTs复合材料。通过电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱表征复合材料的结构和组成。同时,运用循环伏安法、线性扫描伏安法与计时电流法来测定该催化剂对氧还原反应的催化性能,发现其具有高的催化活性和优良的稳定性。将其修饰到微生物燃料电池的阴极表面,发现其功率密度接近于商业Pt/C催化剂,具有实际应用价值。