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燃料电池是一种能够将小分子燃料（如氢气和氨气）与氧化剂发生化学反应生成的化学能直接转化为电能的发电装置,它具有转化效率高、燃料来源广、清洁无污染等优点,是未来实现能源与环境可持续发展不可或缺的关键技术途径之一。低温氢燃料电池是目前研究最为广泛和成熟的一类燃料电池技术,而低温直接氨燃料电池由于氨成熟的生产、存储和运输产业链近年来也受到科研人员越来越多的关注。制约低温氢燃料电池的主要瓶颈在于缺乏高活性、低成本的阴极氧还原反应催化剂,而制约低温直接氨燃料电池的主要瓶颈在于缺乏能克服阳极缓慢氨氧化动力学的高性能氨氧化催化剂。贵金属纳米材料在能源催化领域一直扮演着举足轻重的角色,而石墨烯具有优异的物理化学性质和高导电性等优点,在能源存储与转换材料的制备与应用领域具有广阔的发展前景。本文主要研究掺杂石墨烯和低铂合金纳米材料的设计、制备以及在低温氢燃料电池阴极催化剂和低温直接氨燃料电池阳极催化剂上的应用。针对低温氢燃料电池催化剂的核心问题,本文旨在设计和合成性能优异的掺杂石墨烯新型催化剂,发展制备新型催化剂高效和高质量的新方法,实现杂原子在石墨烯载体中的高效可控掺杂,探索其合成机理,研究催化剂的微观结构和催化性能之间的联系,探讨氧还原催化机理。在低温直接氨燃料电池阳极催化剂方面,本文旨在开发低铂合金纳米粒子负载于氧化物-碳复合载体的新型低铂纳米催化剂,研究其电催化氨氧化性能,并结合理论计算探讨其催化机理,将优选催化剂用于直接氨燃料电池的组装和性能测试。具体研究内容如下:（1）采用热解水热过程中生成的三聚氰胺甲醛树脂实现石墨烯的造孔和N掺杂,其与S的共掺杂可使石墨烯中引入更多的缺陷和催化活性位点,提高材料的催化性能;详细考察了热解温度对N、S共掺杂三维石墨烯催化剂的形貌、结构、组分和缺陷程度的影响,研究催化剂结构与性能间的内在联系,其中,NS-3Dr GO-950催化剂具有最高的活性N含量（74.8%）和活性S含量（79.8%）,展现出良好的氧还原催化活性和稳定性,其在碱性介质中的氧还原半波电位为0.732 V,与商业Pt/C催化剂接近。（2）采用调控不同前驱体的方法实现了石墨烯的单元N掺杂、二元F、N掺杂和三元F、N、S掺杂,建立了催化剂电催化氧还原性能与其比表面积、活性N含量和活性F含量间的对应关系,并探讨了S掺杂对催化剂氧还原催化活性进一步增强的原因,研究表明:催化活性位点的本征活性和密度是影响催化剂活性高低最关键的因素,而缺陷程度和孔结构也为掺杂石墨烯催化活性的增强做出了贡献,其中,FN3SG催化剂的比表面积为115.5 m2 g–1,F、N和S的掺杂量分别为1.09 at.%、6.39 at.%和0.95 at.%,展现出最优的氧还原催化活性,其氧还原半波电位为0.803 V,与商业Pt/C催化剂相媲美。（3）蜂窝状三维石墨烯具有富缺陷和高初始比表面积的优点,文中以蜂窝状三维石墨烯为碳载体制备了含有Fe3O4纳米粒子的Fe、N、S三元掺杂三维石墨烯,通过调控N、S前驱体的投料比实现对掺杂石墨烯形貌、结构和组分的可控,Fe的掺入使催化剂中形成高活性的Fe Nx活性位点,丰富了催化剂活性位点的类型,其中,Fe3O4/Fe NSG-3催化剂的比表面积为530.5 m2 g–1,Fe、N和S的掺杂量分别为0.31 at.%、1.71 at.%和0.30 at.%,其氧还原半波电位为0.810 V,优于商业Pt/C催化剂。（4）通过在合成N、S共掺杂三维石墨烯的前驱体中引入钴源制备获得以Co9S8为核和掺杂石墨烯为壳的核壳结构催化剂,调控热处理温度实现了催化剂晶体结构、微观形貌、Co9S8纳米粒子的尺寸和分散性以及石墨烯中杂原子掺杂量的可控制备,Co9S8和掺杂石墨烯间特殊的核壳结构和协同效应使其氧还原性能得到增强;Co的引入使该催化剂还展现出良好的电催化析氧性能,其中,Co9S8@NS-3Dr GO-850催化剂的氧还原半波电位为0.826 V,而在10 m A cm–2电流密度下的析氧过电位为317 m V,在0.1 M KOH电解液中氧还原和析氧间的电位差约为0.90 V;将该催化剂作为空气阴极用于组装锌-空电池所得最大功率密度为83.5 m W cm–2,达到了与商业贵金属催化剂相同的水平。（5）采用超声辅助合成工艺制备了Pt Ir Ni三元合金纳米粒子负载于Si O2-CNT-COOH复合载体的新型催化剂,Si O2既提高了合成过程中对金属离子的吸附作用,又通过向其临近的Pt Ir Ni催化活性中心提供丰富的OHad基团促进催化剂电催化氨氧化性能的增强,CNT-COOH的引入使催化剂结构更加完整,导电性提高;与Pt Ir相比,催化剂中Ni与Pt-Ir的合金化降低了*NH2脱氢为*NH的热力学势垒,使群d轨道态密度的能量向上偏移,催化剂的氨氧化活性增强;文中研究了载体、材料组成、NH3浓度以及工作温度对催化剂氨氧化性能的影响,其中,Pt Ir Ni1/Si O2-CNT-COOH在80℃测试条件下的氨氧化起始电位为0.32 V,比室温降低了80 m V,而其峰值电流密度(1382.7 A g-1)是室温下的11倍左右,该催化剂的氨氧化反应活化能仅为50.0 k J mol–1,使催化剂成本大幅降低的同时提高了催化剂的氨氧化活性。（6）采用超声辅助合成工艺制备了Pt Ir Zn三元合金纳米粒子负载于Ce O2-ZIF-8热解碳复合载体的新型催化剂,在催化剂的合成中水和乙醇混合溶剂有利于载体和金属前驱体的分散,高比表面积(～600 m2 g–1)的ZIF-8热解碳和金属Zn2+提高了贵金属前驱体在复合载体表面的吸附和分散,强还原剂还原后的Pt Ir Zn纳米颗粒均匀地负载于复合载体且平均粒径为2.3±0.2 nm;Zn和Pt Ir的合金化可抑制催化剂的氢吸附而促进氨气分子的解离吸附,提高催化剂的氨氧化活性,其中,Pt Ir Zn2/Ce O2-ZIF-8的氨氧化反应活化能比商业Pt Ir/C催化剂低14.1 k J mol–1,证明其具有较高的本征活性,将该催化剂做为阳极材料用于直接氨燃料电池的组装所得最大功率密度为91 m W cm–2,但其由于电荷转移电阻大、质量传递低,电池性能低于商业Pt Ir/C;尽管如此,对我们制备的Pt Ir Zn2/Si O2-CNT-COOH催化剂进行电池组装得到了314 m W cm–2的最大功率密度,且优于Pt Ir/Si O2-CNT-COOH催化剂组装的电池性能,进一步表明Zn与Pt Ir合金化的重要意义。