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燃料电池作为一种清洁高效的新能源技术,具有非常广阔的应用前景。由于阴极催化效率明显低于阳极,所以燃料电池的电催化研究仍主要集中于阴极催化剂的开发上。目前,阴极催化活性较高的催化剂多为贵金属铂基催化剂,但由于其成本高、储量少、耐甲醇能力低且稳定性差等缺陷,严重限制了燃料电池的商业化发展。近年来大量研究表明Fe、Co等非贵过渡金属掺入碳的网络结构能明显改善碳催化剂的氧还原（ORR）活性,有望替换贵金属催化剂。为开发高活性、低成本且稳定性优良,耐甲醇渗透性好的金属掺杂碳催化剂,本文尝试将锗原子掺入碳的网络结构,开发新型非贵金属锗、锗氮共掺杂碳催化剂,及通过非贵金属铁与非金属多元掺杂等方式,利用廉价生物质开发低廉高效碳催化剂。具体研究内容如下:1.通过气相沉积法,以四乙基锗为锗源制备新型锗掺杂碳纳米管（Ge-CNTs）。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、比表面积测定仪（BET）和X-射线光电子能谱（XPS）等手段对其形貌、比表面积及元素组成等进行表征分析,结果表明锗原子可以掺入碳纳米管结构网络。同时电化学测试表明碱性条件下,Ge-CNTs的ORR活性明显高于无掺杂CNTs,且耐甲醇性能和稳定性能均优于47.6 wt%商业Pt/C催化剂。Koutechy-Levich方程计算显示Ge-CNTs表观电子转移数明显高于CNTs,表明氧分子在Ge-CNTs表面上吸附方式不同于无掺杂CNTs,这可能由于锗原子掺入碳的网络结构,引起碳纳米管表面的电荷分布及能带等电子特性发生改变。2.通过气相沉积法,以四乙基锗为锗源,苯胺为氮源制备锗氮共掺杂碳纳米管（GeN-CNTs）。通过SEM、TEM、BET、XPS等手段对其形貌、比表面积及元素组成等进行表征分析,结果表明锗原子和氮原子可以同时掺入到碳纳米管结构网络。电化学测试表明碱性条件下GeN-CNTs的ORR活性明显高于N-CNTs,且耐甲醇性能,稳定性能均优于47.6 wt%商业Pt/C。Koutechy-Levich方程计算显示GeN-CNTs表观电子转移数大于3,表明其表面氧还原反应多为四电子高效反应途径,显示锗和氮原子的掺入碳的网络结构能够改变氧分子吸附方式。3.通过快速高温热解生物质桂花果中活性物质、Fe2（SO4）3及二氰二胺混合物,制备N、S、P和Fe多元掺杂碳纳米孔与碳纳米管复合材料。通过EDS、XPS、BET等手段,对其结构、形貌、元素组成等进行表征分析,结果表明N、S、P和Fe等元素可掺入碳纳米结构网络中（Fe掺入量较小）。同时电化学测试表明所制备的复合材料在碱性和酸性条件下均显示优异ORR活性、耐甲醇性能和稳定性能。Koutechy-Levich方程计算显示所制备的复合材料表面上氧分子发生还原反应时的电子转移数在碱性和酸性条件下都接近4电子过程,表明N、S、P和Fe多元掺杂有利于氧分子的侧基吸附。