随着人类社会的进步,全球能源需求也越来越高,能源和环境问题也日渐突出,人们逐渐开始担忧能源安全和环境的可持续性,这推动着人们探索新的能源技术。由于能量密度高、能量转换效率高、无污染以及燃料的来源广泛等优点,直接甲醇燃料电池（DMFCs）受到了越来越多的关注,但是直接甲醇燃料电池存在众多的技术瓶颈,这阻碍了其商业化进程。在这些瓶颈中,阳极催化剂的性能是众多的瓶颈中比较突出的一项。目前,Pt基催化剂依旧是直接甲醇燃料电池的最优的阳极催化剂。但是贵金属Pt价格昂贵,并且在甲醇氧化反应过程中Pt还会因为生成的中间产物吸附导致中毒,从而使阳极的甲醇氧化反应的动力学缓慢,催化剂寿命缩短。因此,寻求低贵金属含量,甚至非贵金属的具有高催化活性以及高稳定性的甲醇氧化反应催化剂已经成为亟待解决的问题。本论文旨在构建高效并且成本低廉的甲醇氧化反应催化系统,采取的设计策略主要有（1）引入助催化剂,与主催化剂协同作用;（2）构建非贵金属催化体系;（3）运用光辅助技术,将光辅助与电催化过程级联,实现催化剂性能质的提升。根据上述设计策略进行了如下工作:（1）设计了具有高催化活性和CO耐受性的Pt-Co₃O₄-CDs复合催化剂;（2）构建了碳层上负载具有协同效应的Cu@CoO_x核-笼结构作为甲醇氧化的高效、耐用的电催化剂;（3）光电级联增强Pt-Ti₃C₂T_x-Ti O₂复合材料电催化甲醇氧化性能;（4）可见光辅助Pt-CNTs/TiO₂@Ti₃C₂T_x复合催化剂的甲醇氧化性能。具体工作分为以下几个部分:1.以碳点（CDs）和Co₃O₄纳米颗粒为构建模块,制备了低Pt含量（12 wt%）的Pt-Co₃O₄-CDs/C材料作为甲醇氧化反应的电催化剂。Pt-Co₃O₄-CDs/C催化剂表现出优异的电催化活性(1393.3 mA mg^-1 _Pt)、耐久性（大于等于4000 s）以及抗一氧化碳中毒能力。其优异的催化活性得益于CDs、Pt和Co₃O₄之间的协同作用。此外,以Pt-Co₃O₄-CDs/C作为阳极催化剂组装了单电池,并测试了其单电池性能,其最大功率密度为45.6 m W cm^-2,是以商用20 wt%Pt/C作为催化剂的单电池性能的1.7倍。2.直接甲醇燃料电池的实际应用对高效、廉价的甲醇氧化反应电催化剂提出了更高的要求。但是高效的甲醇氧化反应催化剂过分依赖于稀有的贵金属催化剂,因而其发展受到极大的限制。此工作中,我们报道了一种用于碱性介质中的甲醇氧化反应的高效电催化剂,其结构为碳层上担载Cu@Co O_x核-笼型纳米结构。其在1MKOH+1MCH₃OH测试溶液中,在0.8 V vs.SCE（1.85 V vs.RHE）的电位时,比活性的值为150.41 mA cm^-2;其同样表现出较高的质量活性,数值为467.94 mA mg^-1;另外,该复合催化剂表现出优良的稳定性。据调研,这是迄今报道的具有最高甲醇氧化活性的非贵金属催化剂。原位同步辐射X射线吸收光谱分析表明,处于外侧的CoO_x笼在催化反应过程中可以形成高价态的Co⁴⁺,其拥有较强的氧化性,能够轻易地氧化甲醇分子。吸附实验表明位于中心处的Cu核具有优异的吸附甲醇分子的性能,在本体系中,可以作为吸附中心。在核-笼结构上的捕获-催化过程造就了复合催化剂的优异的甲醇氧化活性。复合催化剂中的碳层作为载体,一方面可以锚定Cu@CoO_x粒子,另一方面可以加速电荷传输,从而提高催化剂的催化活性。Cu@CoO_x-CLs复合催化剂价格低廉、各组分储量相比贵金属更丰富、催化活性高、稳定性好,具有替代直接甲醇燃料电池中贵金属催化剂的广阔前景。3.高效的光辅助电催化甲醇氧化反应（MOR）能够实现太阳能和化学能同时向电能转化。本工作报道了一种Pt-Ti₃C₂T_x-TiO₂复合材料,通过光辅助级联电催化过程,能够实现高效的电催化甲醇氧化。在光（紫外光和可见光）的照射下,Ti₃C₂T_x-TiO₂作为光活性中心（光诱导生成空穴）活化甲醇分子,而Pt纳米颗粒作为催化中心对这些已活化的甲醇分子进行后续的电催化氧化。Pt-Ti₃C₂T_x-TiO₂复合催化剂表现出较低的起始电位,约为0.33 V vs.SCE,在光照下的质量活性为2750.42 m A mg_Pt^-1。它是迄今为止报道的光辅助电催化剂中具有最高的催化活性的甲醇氧化反应催化剂。Pt-Ti₃C₂T_x-Ti O₂还表现出优异的一氧化碳耐受性和稳定性,经过长时间（5000 s,此时其电流已经稳定）的反应,仍保持较高的质量活性,约为1269.81m A mg_Pt^-1,为其初始活性的62.66%。本工作提出的光电催化系统为开发高效、稳定的光辅助增强甲醇氧化反应的催化剂提供了新的机遇。4.可见光辅助电催化甲醇氧化反应在实现光催化和电催化过程同时在催化剂表面发生的基础上,还拓宽了光辅助甲醇氧化反应的应用范围。而合理高效的光辅助电催化系统的设计至关重要。本工作制备了具有三维结构的TiO₂@Ti₃C₂T_x,然后用Pt和碳纳米管对其进行修饰,得到Pt-CNTs/TiO₂@Ti₃C₂T_x复合催化剂。在可见光辐照下,其表现出优异的催化活性,峰值电流密度达到2901.53 m A mg_Pt^-1,为商用Pt/C催化剂的3.63倍,其峰值电流对应的电位相对于商用Pt/C催化剂也更负。同时,该复合催化剂还具有更佳的长时间稳定性,经过10800s后,其稳定时电流密度为1275.44 mA mg_Pt^-1,为初始值的63.90%。此外,其还具有优异的CO耐受性。该复合催化剂优异的性能得益于TiO₂@Ti₃C₂T_x组分上光激发生成的空穴对甲醇分子的活化过程与Pt组分上的电催化过程级联,而碳纳米管连接各个单元,一方面均衡电荷,另一方面提升复合催化剂的导电性。在光辅助和各个组分的协同作用下,Pt-CNTs/TiO₂@Ti₃C₂T_x复合催化剂达到了最佳的活性和稳定性。