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氢氧根交换膜燃料电池(Hydroxide Exchange Membrane Fuel Cells，HEMFCs)近几年备受关注。然而，阳极碱性氢氧化反应(Hydrogen Oxidation Reaction，HOR)速率缓慢，需要使用大量的铂基电催化剂提高反应速率，制约了HEMFCs的发展。研究高性能、低成本的碱性HOR电催化剂是目前研究的一个热点。本论文围绕部分和完全替代铂，研究了四种碱性HOR电催化剂，主要进展如下:
(1)在氩气中热解碳担载的Pt和Ru的含氮配合物，然后用氨气刻蚀金属颗粒表面沉积的碳得到氮杂碳担载的PtRu纳米颗粒(3.0-3.8nm)。考察了Pt∶Ru摩尔比对碱性HOR性能的影响，发现Pt0.25Ru0.75/N-C具有最佳的碱性HOR活性（1654A gPtRu-1）和耐久性。高活性的可能原因是其具有较高的电化学活性面积(Electrochemical Active Surface Area，ECSA，117.3m2gPtRu-1)、合适的氢键能以及亲氧性。高耐久性的可能原因是掺杂的N组分促使载体富含电子有利于稳定金属颗粒。Pt0.25Ru0.75/N-C作为阳极电催化剂时(背压条件为0MPa)，HEMFCs单池峰值功率密度达831mW cm-2，分别是商业Pt/C和商业PtRu/C的1.8和1.1倍。
(2)在表面活性剂调控作用下，使用一锅法制备了无定形NiO修饰、优势暴露(111)晶面的Pt纳米线(Nanowires，NWs)，通过改变Ni(acac)2的浓度，实现了对一维Pt/NiO纳米线金属组成的调控。碳担载的Pt0.65/(NiO)0.35NWs展示出高的碱性HOR活性(1340A gPt-1)。原位电化学拉曼光谱证明碱性HOR反应历程存在OHads中间物种;CO溶出实验表明相比Pt NWs/C电催化剂，高的ECSA(89.1m2gPt-1)、强的亲氧性以及Pt、NiO活性位之间良好的协同作用共同促使Pt0.65/(NiO)0.35NWs/C具有高的碱性HOR活性。作为阳极电催化剂应用于HEMFCs单池时(背压条件为0.2MPa)，峰值功率密度达830mW cm-2，优异于商业Pt/C(502mW cm-2)，与商业PtRu/C相媲美(830mW cm-2)。
(3)热解三聚氰胺与碳的混合物获得氮杂碳，在无表面活性剂的条件下，通过溶液还原将PdIr纳米颗粒(2.4-2.9nm)均匀负载在氮杂碳表面。Pd0.33Ir0.67/N-C展示出较高的碱性HOR活性，质量比活性(481AgPdIr-1)和面积比活性(0.45mA cmPdIr-2)分别是商业Pt/C的1.4和1.2倍。电化学实验以及密度泛函理论计算证明Pd0.33Ir0.67/N-C具有较高的碱性HOR活性的可能原因是Pd0.33Ir0.67纳米颗粒粒径较小且分布均匀提高了ECSA（106.0m2gPdIr-1）;Pd、Ir与载体中N组分的电子相互作用优化了氢键能和亲氧性。Pd0.33Ir0.67/N-C作为阳极电催化剂应用于HEMFCs单池时(背压条件为0.1MPa)，峰值功率密度为514mW cm-2，优异于商业Pt/C(400mW cm-2)。
(4)使用镧铈氧化物对碳载体进行修饰，通过溶液还原将含Ni纳米颗粒(10.8-12.3nm)均匀负载在镧铈氧化物修饰的碳载体表面。当氧化物中镧的掺杂量为50％(Ni/La0.5Ce0.5O1.75/C)时，电催化剂展示出较高的碱性HOR活性，质量比活性为8.8A gmetal-1，面积比活性为0.052mA cmmetal-2，分别是Ni/C的2.9和1.8倍。Ni/La0.5Ce0.5O1.75/C具有较高的碱性HOR活性的可能原因是其具有合适的氢键能和亲氧性以及两种活性位间的协同作用。Ni/La0.5Ce0.5O1.75/C作为非贵金属阳极电催化剂应用于HEMFCs单池时，峰值功率密度为26.8mW cm-2。
(1)在氩气中热解碳担载的Pt和Ru的含氮配合物，然后用氨气刻蚀金属颗粒表面沉积的碳得到氮杂碳担载的PtRu纳米颗粒(3.0-3.8nm)。考察了Pt∶Ru摩尔比对碱性HOR性能的影响，发现Pt0.25Ru0.75/N-C具有最佳的碱性HOR活性（1654A gPtRu-1）和耐久性。高活性的可能原因是其具有较高的电化学活性面积(Electrochemical Active Surface Area，ECSA，117.3m2gPtRu-1)、合适的氢键能以及亲氧性。高耐久性的可能原因是掺杂的N组分促使载体富含电子有利于稳定金属颗粒。Pt0.25Ru0.75/N-C作为阳极电催化剂时(背压条件为0MPa)，HEMFCs单池峰值功率密度达831mW cm-2，分别是商业Pt/C和商业PtRu/C的1.8和1.1倍。
(2)在表面活性剂调控作用下，使用一锅法制备了无定形NiO修饰、优势暴露(111)晶面的Pt纳米线(Nanowires，NWs)，通过改变Ni(acac)2的浓度，实现了对一维Pt/NiO纳米线金属组成的调控。碳担载的Pt0.65/(NiO)0.35NWs展示出高的碱性HOR活性(1340A gPt-1)。原位电化学拉曼光谱证明碱性HOR反应历程存在OHads中间物种;CO溶出实验表明相比Pt NWs/C电催化剂，高的ECSA(89.1m2gPt-1)、强的亲氧性以及Pt、NiO活性位之间良好的协同作用共同促使Pt0.65/(NiO)0.35NWs/C具有高的碱性HOR活性。作为阳极电催化剂应用于HEMFCs单池时(背压条件为0.2MPa)，峰值功率密度达830mW cm-2，优异于商业Pt/C(502mW cm-2)，与商业PtRu/C相媲美(830mW cm-2)。
(3)热解三聚氰胺与碳的混合物获得氮杂碳，在无表面活性剂的条件下，通过溶液还原将PdIr纳米颗粒(2.4-2.9nm)均匀负载在氮杂碳表面。Pd0.33Ir0.67/N-C展示出较高的碱性HOR活性，质量比活性(481AgPdIr-1)和面积比活性(0.45mA cmPdIr-2)分别是商业Pt/C的1.4和1.2倍。电化学实验以及密度泛函理论计算证明Pd0.33Ir0.67/N-C具有较高的碱性HOR活性的可能原因是Pd0.33Ir0.67纳米颗粒粒径较小且分布均匀提高了ECSA（106.0m2gPdIr-1）;Pd、Ir与载体中N组分的电子相互作用优化了氢键能和亲氧性。Pd0.33Ir0.67/N-C作为阳极电催化剂应用于HEMFCs单池时(背压条件为0.1MPa)，峰值功率密度为514mW cm-2，优异于商业Pt/C(400mW cm-2)。
(4)使用镧铈氧化物对碳载体进行修饰，通过溶液还原将含Ni纳米颗粒(10.8-12.3nm)均匀负载在镧铈氧化物修饰的碳载体表面。当氧化物中镧的掺杂量为50％(Ni/La0.5Ce0.5O1.75/C)时，电催化剂展示出较高的碱性HOR活性，质量比活性为8.8A gmetal-1，面积比活性为0.052mA cmmetal-2，分别是Ni/C的2.9和1.8倍。Ni/La0.5Ce0.5O1.75/C具有较高的碱性HOR活性的可能原因是其具有合适的氢键能和亲氧性以及两种活性位间的协同作用。Ni/La0.5Ce0.5O1.75/C作为非贵金属阳极电催化剂应用于HEMFCs单池时，峰值功率密度为26.8mW cm-2。