随着化石能源的消耗和环保意识的提高,人们致力于开发高效,清洁,绿色的能源技术。质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置,由于其转换效率高,环境污染小等优点而受到广泛关注。但是,阴极氧还原反应的缓慢动力学制约了其推广与应用。因此,开发高效的阴极催化剂势在必行。截至目前为止,铂及其合金依然是质子交换膜燃料电池阴极催化剂的首选。但是铂高昂的价格,及稀缺的储量,阻碍了其大规模的商业化生产。近年来,由于制备简单、催化性能优良,碳基材料催化剂取得了一定的发展。本论文的主要内容包括以下几个方面:(1)类石墨烯材料的制备、改性及氧还原性能研究通过热解法合成了类石墨烯C3N4以及不同杂原子(B,S,P)掺杂的类石墨烯。通过X-射线衍射,X-射线光电子能谱,元素映射,扫描电镜等对样品的物理性能进行了表征。同时电化学测试结果表明,所有样品都具有ORR活性,而且硫掺杂的样品表现出最好的电化学性能。S-C3N4的氧还原过程是4e-转移过程,并且抗醇性能优异。(2)多孔碳材料的制备、改性及氧还原性能研究通过模板法合成了不同活化温度下(700℃,800℃,900℃)的多孔碳材料以及氮掺杂,磷掺杂,氮磷双掺杂的多孔碳材料。拉曼测试表明,800℃活化的碳材料具有最高的缺陷比。然后通过X-射线光电子能谱,比表面积测试,扫描电子显微镜等对合成的物质进行物理性能表征。同时电化学测试结果表明,NPC-800 具有较正的Ep(0.87V),EORR(0.92V)和E1/2(0.81 V),并且 ORR是4e-过程,抗醇性能较好。(3)生物碳材料的制备、改性及氧还原性能研究选取柏树叶(CL),丝瓜瓤(VS),松针(PN)为生物前驱体,通过500℃煅烧,800℃活化等步骤合成不同种类的生物质碳材料。经过物理表征和电化学筛选,选择VS作为基体,进行不同钴含量的复合改性。测试结果表明,当钴复合量为4%时,VS-Co-4%表现出最好的催化性能。VS-Co-4%具有较正的Ep(0.75 V),EORR(0.87V),E1//2(0.71V)。同时,ORR过程是4e_转移过程,并且具有较好的抗醇性。(4)碳球的制备、改性及氧还原性能研究首先合成了三聚氰胺甲醛树脂,然后通过不同温度下(800℃,900℃,1000℃)煅烧制备碳球(CS-X)。拉曼测试表明,CS-900的缺陷比较高,所以选择900℃为活化温度。然后,通过不同种类的过渡金属(M=Fe,Co,Ni)对碳球进行复合改性(CS-M-900)。物理测试表明,过渡金属以单质的形式存在。电化学测试表明,CS-Co-900具有较好的ORR活性,同时抗醇性能优异。