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燃料电池具有较高的能量密度和发电效率、以清洁的能源为原料、并且零污染排放,是一种有发展前景的能源利用装置。阴极氧还原反应(ORR)在燃料电池中起着关键作用。燃料电池的快速发展需要ORR催化剂的进步。尽管,铂基催化剂的ORR催化活性最好,但是它们有一些缺点如价格昂贵、电子动力学转移速率慢、碱性条件下易团聚,这阻碍了其广泛商业化。近期,一些非贵金属催化剂被广泛研究,例如氮掺杂碳材料、Fe/N/C材料等,它们有可能在未来替代铂基催化剂。一些新型的微孔碳载铁基催化剂和铂基催化剂的ORR催化性能相当。我们的目标是合成新型高催化活性的Fe/N/C及其衍生非贵金属材料,用于ORR催化反应。由于石墨烯具有独特的形貌、较大的比表面积、良好的导电性、及表面含有功能化的官能团,所以本论文选择用石墨烯作为碳载体。首先,我们用改性休克尔方法合成了氧化石墨烯(GO),为了提高其催化活性对其进行了氮掺杂和硫掺杂改性处理,制备了聚吡咯/氧化石墨烯(Ppy/GO).硫脲/氧化石墨烯(Sulfourea/GO).GO、Ppy/GO、 Sulfourea/GO都是二维片层形貌,并且都具有ORR催化活性。通过ORR催化性能测试,我们发现GO具有一定的ORR催化活性,它的起始电位和阴极电流电位分别为-0.25 V(vs SCE)和-0.38 V(vs SCE) 。Ppy/GO在GO、Ppy/GO、Sulfourea/GO三者之中的催化活性最高,它的起始电位和阴极电流电位分别为-0.21 V(vs SCE)和-0.35 V(vsSCE)。氮掺杂改性会提高碳材料的ORR催化性能。Fe/N/C复合材料因价格便宜、催化活性好,是一种很好的非贵金属ORR催化剂。本论文采用水热法合成了Fe2O3/聚吡咯/氧化石墨烯(Fe2O3/Ppy/GO),其形貌为：Fe2O3分散在氮掺杂GO表面。经过一系列研究发现,铁的掺杂量为1.6%,煅烧温度为800℃时,Fe2O3/Ppy/GO具有最好的ORR催化活性。在0.1 M KOH电解质中测试,Fe2O3/Ppy/GO-800的起始电位和阴极电流电位分别为-0.1 V(vsSCE)和-0.24 V(vsSCE),电子转移数为3.7,并且稳定性很好(循环5000圈后催化性能降低大约5%)。Fe2O3/Ppy/GO的ORR催化活性及催化稳定性较高,可能由于纳米形态的Fe2O3和Ppy/GO之间具有较强的表面作用力、吡咯掺杂的氧化石墨烯具有较强的电子储存及释放能力。Fe2O3/Ppy/GO具有很高的ORR催化活性,说明了新型Fe/N/C未来在燃料电池阴极催化剂方面很有前景。我们进一步用相似的水热法合成了Co3O4/聚吡咯/氧化石墨烯(Co3O4/Ppy/GO)和CoxFeyOz/聚吡咯/氧化石墨烯(CoxFeyOz/Ppy/GO),探究了它们的ORR催化性能影响。通过测试,我们发现Fe2O3/Ppy/GO比Co3O4/Ppy/GO和CoxFeyOz/Ppy/GO的催化性能好。铁掺杂碳材料比钴掺杂碳材料含有更多的ORR催化活性位。Co3O4/Ppy/GO的催化活性比Ppy/GO高,它的起始电位和阴极电流电位分别为-0.20 V和-0.31V(vs SCE)。经过800℃高温煅烧处理后,Co3O4/Ppy/GO-800的催化活性明显提高,起始电位和阴极电流电位分别达到-0.18 V和-0.27 V。综上,我们通过水热法制备了铁掺杂和氮掺杂的GO,并研究了其ORR催化活性。Fe2O3/Ppy/GO是一种高效的Fe/N/C催化剂。在碱性电解质中,铁或钴掺杂的Ppy/GO是一种很有前景的ORR催化剂。