燃料电池作为一种新型的能源转换装置，由于其能量转化效率高、环境友好、燃料可再生等优点成为解决能源紧缺及环境问题的重要手段之一，具有广泛的应用前景。目前燃料电池普遍使用的催化剂由碳载铂纳米颗粒组成，然而Pt的储量稀少、价格昂贵、分散性差、利用率低等问题使催化剂成本居高不下，严重制约了燃料电池的大规模应用。要加快燃料电池商业化发展，首先要提高Pt分散性、降低Pt载量以降低催化剂成本。因此开发高分散、高利用率的Pt基催化剂对燃料电池产业化具有重要意义。在此背景下，本文研究了两种高分散的Pt基催化剂。
　　以原子级分散Zn、Fe、N共掺杂碳材料（ZnFeNC）为载体，成功制备了Pt纳米粒子高度分散的Pt/ZnFeNC催化剂。研究发现ZnFeNC载体表面大量Zn、Fe单原子可以作为成核中心诱导Pt原子成核生长，提高催化剂中Pt的分散性。ZnFeNC载体中丰富的N元素与Pt原子之间的强相互作用将Pt原子牢牢地锚定在碳载体表面，抑制Pt纳米颗粒在载体表面的迁移、团聚长大，提高催化剂稳定性。TEM显示当Pt/ZnFeNC催化剂中Pt载量为19.87%时，Pt纳米颗粒在载体表面分散均匀且没有团聚现象，粒径在2.24nm左右。调控催化剂中的Pt载量为3.88%到20%，粒径均控制在1.5nm-2.5nm以内。这种高分散Pt基催化剂有着较高的原子利用率，在氧还原反应中具有优异的催化活性。Pt/ZnFeNC催化剂的ESCA达到141.88m2/g，是商业Pt/C的2倍左右，在氧还原反应中当电极载量为1.46μg时半波电位达到0.851V。
　　在上述研究基础上，通过降低金属盐前驱体吸附量，成功制备了具有100%原子利用效率的多原子PtRu催化剂（MA-PtRu/ZnFeNC）。HAADF-STEM显示Pt、Ru以多个单原子形式聚集，分散均匀，尺寸大小在2nm左右。XAFS分析表明每个Pt原子与大约2.7个N原子配位和4.1个Pt/Ru原子配位，每个Ru原子与大约4.2个N原子配位和0.8个Pt/Ru原子配位。这种双金属多原子PtRu催化剂结合了单原子催化剂和合金纳米颗粒催化剂的优点，在甲醇氧化反应中具有极高的金属利用率、优异的催化活性。MA-PtRu/ZnFeNC催化剂的ECSA高达164.52m2g-1，是商业PtRu/C的3倍。在调节催化剂中Ru负载量后催化剂的ECSA没有随着Ru载量的增加而变小，证明ZnFeNC载体可以同时吸附锚定Pt、Ru两种金属，新增的Ru并不覆盖在Pt原子表面还原。在甲醇氧化反应中MA-PtRu/ZnFeNC催化剂的质量活性为0.578mAug-1Pt，是商业PtRu/C的4倍。经过2000圈加速老化以后ECSA仅衰减了5%，证明了双金属多原子PtRu催化剂优越的稳定性。这种双金属多原子催化剂为提高金属利用率、降低催化剂成本提供了新的研究方向。