燃料电池因具有反应产物清洁无污染、能量转换效率高等优点而受到科研工作者的广泛关注,但燃料电池昂贵的成本阻碍了其大规模应用,电池成本以贵金属催化剂和质子交换膜为主。燃料电池阴极缓慢的氧还原反应（ORR）动力学是制约燃料电池发展的重要因素,通常贵金属铂基催化剂被认为是高效的ORR催化剂,但铂贵金属资源匮乏、成本昂贵,限制了燃料电池的大规模商业应用。另一方面,阴阳极之间的质子交换膜在质子传导性、吸水性、耐腐蚀性、机械强度以及绝缘性等方面都有较高的要求,致使其成本高昂,这是限制燃料电池发展的另一个重要因素。因此,开发高性能、低成本的非贵金属催化剂代替铂基催化剂和排除质子交换膜的使用能够从根本上解决燃料电池的成本问题,促进燃料电池的实际应用。本文主要研究了具有高催化活性的硫化钴ORR催化剂、使用承载电解液的腔体替代质子交换膜、高电位的Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原电对替代空气阴极的无膜无氧直接甲醇燃料电池（DMFC）,这些措施可以避免昂贵的铂基催化剂和质子交换膜的使用,在降低燃料电池成本的同时,提高燃料电池的性能。具体研究结果如下:（1）利用一步水热法制备了花状CoS、八面体CoS₂以及CoS₂/rGO复合材料氧还原催化剂。多种结构测试结果表明,CoS₂/rGO复合材料中的八面体CoS₂均匀的分散在褶皱状的rGO片层上,复合后的CoS₂平均颗粒尺寸明显降低。电化学测试表明,八面体CoS₂的催化氧还原活性优于花状CoS,这主要是由于CoS₂晶胞中存在的S-S键电子云密度更高,更有利于氧气在催化剂表面的吸附,从而促进电催化氧还原反应的进行。另外,CoS₂与rGO的有效复合,降低了催化剂颗粒尺寸,增加了催化剂的活性面积,形成了更多的催化活性位点,同时附着在rGO表面的CoS₂颗粒降低了rGO片层间的相互作用,进一步提高了复合材料的催化氧还原性能。（2）在CoS₂合成过程中掺杂Ni或Fe元素,研究了掺杂量对催化剂性能的影响。研究结果表明,当掺杂量为20%时,催化剂的催化ORR性能最优。将最优Ni或Fe掺杂量的CoS₂与rGO进行复合,分别得到Ni掺杂的Ni_0.2Co_0.8S₂/rGO催化剂与Fe掺杂的Fe_0.2Co_0.8S₂/rGO催化剂。结构测试结果表明,两种催化剂的平均尺寸分别为350 nm与250 nm。电化学测试结果显示,Fe_0.2Co_0.8S₂/rGO复合材料在催化氧还原活性和长时间运行稳定性方面表现更好。进一步的研究结果表明,催化剂颗粒尺寸对催化活性的影响较为显著,较小的颗粒尺寸使得催化剂具有更大的催化活性面积,从而表现出更佳的电催化氧还原活性。（3）在C₃N₄与rGO的质量比为1:1的条件下,制备出了CoS₂/C₃N₄/rGO复合材料。CoS₂/C₃N₄的颗粒均匀的分布在rGO片层上,表面的CoS₂使rGO片层之间空隙增加,起到了抑制载体片层复合的作用,降低了片层间的相互作用,有利于电解质和产物的及时传输及催化剂表面的活性位点的充分利用。与CoS₂/C₃N₄(2.7 mA cm^-2)和CoS₂/rGO(3.8 mA cm^-2)相比,CoS₂/C₃N₄/rGO(4.5 mA cm^-2)显示出较正的起始电位（0.94 V vs.RHE）、最高的极限电流密度（电流密度计算值与商业Pt/C相当）、更好的长时间运行稳定性,并且以4e^-反应过程为主,具有最高的催化活性。（4）对无膜无氧DMFC的结构设计进行了初步探索,用一定厚度的承载电解液的腔体代替昂贵的质子交换膜,在阴极使用高电位的Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原电对溶液,设计构建了一套无膜无氧DMFC单电池装置,对影响电池性能的工作参数进行了优化探究,确定了电池的最佳工作状态:工作温度为60℃,阳极甲醇燃料的流速为5 mL min^-1、浓度为1 mol L^-1,阴极Fe³⁺/Fe²⁺溶液的流速为20 mL min^-1、浓度为2/0.22 mol L^-1,催化剂的负载量为1.5 mg cm^-2,电解液承载腔体的厚度为0.8 mm,H₂SO₄电解液浓度为0.5 mol L^-1。