燃料电池能量利用率高,污染排放少,是一种高效、环境友好的能源技术。目前,直接甲醇燃料电池和碱性燃料电池的研究日新月异,开发低成本、高效率、稳定性好的阴、阳极催化剂至关重要。本论文结合碳基纳米管在燃料电池催化剂领域的重要前景、研究现状及本实验室的工作基础,围绕基于氮、硼掺杂碳纳米管的新型燃料电池催化剂的设计、制备及其甲醇氧化和氧还原电催化性能开展了较为系统深入的研究,主要进展如下：1.以氮掺杂碳纳米管(NCNTs)为载体,利用杂原子氮的参与作用,无需对纳米管进行任何表面官能化处理,采用微波辅助乙二醇还原方法,有效地实现了单金属Pt及双金属Pt-M(M=Ni、Ru、Co)合金纳米粒子的负载；Pt基纳米粒子分布均匀,尺寸均一；通过调变金属前驱物的浓度,实现了双金属组分的调变。复合催化剂中NCNTs良好导电性、Pt基纳米粒子的均匀分布、金属成分的有效调变以及方便的构建方法为电催化性能的优化提供新的机会；2.将Pt-Ni/NCNTs、Pt-Ru/NCNTs及Pt-Co/NCNTs复合催化剂分别应用于直接甲醇燃料电池阳极甲醇氧化及阴极氧还原反应,结果表明,在酸性电解液中,合适比例的Pt-M/NCNTs双金属催化剂的催化性能优于单金属Pt催化剂和Pt/C或PtRu/C商业催化剂,即在降低Pt用量的同时还提高了催化性能,主要归因于Pt基纳米粒子在NCNTs上的均匀分布、NCNTs良好的导电性及金属催化组分之间存在的合金化电子效应；这些结果说明Pt-M/NCNTs在直接甲醇燃料电池中具有应用前景；3.利用注射CVD方法,合成了硼掺杂量为0.86-2.24 at%的硼掺杂多壁碳纳米管(BCNTs),将其作为碱性燃料电池阴极氧还原无金属催化剂。在碱性条件下对其氧还原性能测试发现,BCNTs的催化性能随着硼掺杂量的增加而增强,硼掺杂量为2.24 at%的BCNTs氧还原催化活性优于Pt载量为40%的商用Pt/C催化剂,并具有低的过电位,抗CO中毒和甲醇渗透能力,这些优异的性质体现了这类新型电催化氧还原催化剂至关重要的优势。此策略还有望拓展到两种、多种杂原子如B、N、P共掺杂碳纳米材料体系；4.利用DFT方法计算了硼掺杂对碳纳米管电子结构、对氧分子吸附的影响及其中伴随的电子转移过程。结果表明,硼掺杂碳纳米管对电催化氧还原反应表现出的优异催化活性源于硼的掺杂活化了碳纳米管π电子共轭体系,使之部分局域化；氧气分子吸附后以B为桥梁从BCNT上得到了电子,O=O键键长增加,进而容易解离。硼起到了关键性的作用。这些实验和理论研究新进展为我们设计其他杂原子掺杂的无金属碳纳米材料燃料电池催化剂(甚至不限于燃料电池领域)提供了重要依据。