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最近，DFAFC由于其众多优点引起了人们的广泛关注。直接甲酸燃料电池阳极主要采用Pt基和Pd基催化剂，目前两者共同面临着阳极催化剂的利用率和长期运行中毒失活问题。首先，由于Pt与Pd都是贵金属，因此无论采用哪种催化剂都需要尽量提高催化剂利用率、降低催化剂用量以降低DFAFC成本。另外，尽管P.t与Pd对甲酸氧化具有不同的催化活性，但是两者共同面临着被CO的毒化失活问题，因此研制抗中毒性Pt和Pd基催化剂也是DFAFC商业化应用前所必须解决的问题。针对上述问题，本论文分别开发了具有高催化剂利用率的Pd催化剂、具有较高抗中毒性能的Pd和Pt催化剂体系。另外，本论文还组装并测试了以Pd为阳极催化剂直接甲酸燃料电池，并对电池的组装条件进行了初步探索。研究的主要内容如下：
1．通过表面置换法制备钯纳米催化剂通过表面置换法(SRR)可控制备出了具有不同形貌和粒径的碳载钯催化剂。该方法采用Co纳米粒子作为牺牲模版，使得Pd与Co纳米粒子之间发生表面置换反应。通过控制合成反应条件，可以制备出具有空心球结构或高分散的纳米粒子状态的Pd纳米催化剂。在整个反应过程当中，柠檬酸根充当纳米粒子的稳定剂。由于柠檬酸根的稳定能力与第三个羧酸根的质子化程度有关，因此，通过对合成液pH的控制，我们能够合成出具有不同纳米结构、粒径的Pd催化剂。在低pH(pH=9)条件下，能够合成出由小的Pd纳米粒子连接而成的Pd纳米空心球。当调节合成液pH至10以上时，上述的空心球结构消失，取而代之的是高分散的Pd纳米粒子。所有通过SRR法制备的催化剂都具有较普通法制备的Pd催化剂高得多的催化甲酸氧化活性，证实了该方法的有效性。
2．偏钒酸根作为稳定剂制备Pd基纳米催化剂通过简单的化学还原法制备了碳载的小粒径、高分散的Pd纳米催化剂，其中采用HVO42-作为Pd基纳米催化剂的稳定剂。HV042-是具有C3对称结构的含氧阴离子，并且HVO42-的0-0间距是2.76(A)与Pd-Pd间距(2.75(A))十分匹配。因此被应用为Pd纳米粒子的稳定剂，并显示了诸多优点，如其应用的简单有效性。在Pd和HVO42-比例为1:2时，所得催化剂纳米粒子的平均粒径为4.8nm，并具有均匀的粒径分布(3.5-6nm)和高分散性。该催化剂对甲酸氧化过程显示了优越的催化活性，证实了HVO42-做稳定剂的有效性。另外，与其他燃料电池催化剂制备方法相比，该制备方法简单，HVO42-可以通过简单的水洗得以除去，成本较低，因此可以用于大规模生产。上述优点使得HV042-有望在其他过渡金属纳米粒子的合成中得到应用。
3．钒氧离子对Pd/C催化剂催化甲酸氧化的促进作用研究为了提高Pd系催化剂的催化活性和稳定性，考察了钒氧离子对Pd/C催化剂催化甲酸氧化的促进作用。发现，当向电解液中添加非常少量的钒氧离子时，甲酸氧化的性能得到了大大的提高。催化体系电催化性能与电解液中钒氧离子浓度呈火山型关系。当溶液中钒氧离子浓度过低时，将会导致钒氧离子在催化剂表面的不足量吸附；而当浓度过高时，钒氧离子在Pd表面的过量吸附则会过多地占据Pd的活性位点。当电解液中钒氧离子浓度为2.5×10-5 M时，该催化体系显示了最高的催化活性和稳定性。电化学测试结果显示，尽管钒氧离子的加入会不可避免地吸附于催化剂表面并降低Pd/C催化剂的电化学活性表面积，但是其催化活性与未添加钒氧离子的相同催化剂相比提高到1.57倍，而CA结果则显示其催化稳定性分别提高到3.19倍。上述结果表明，钒氧离子对Pd催化甲酸电氧化过程的促进作用，被认为主要来源于V02+/y3+氧化还原电对的存在及钒氧离子在Pd表面的吸附作用带来的整体效应。
4．反应物浓度对PtAu/C纳米催化剂的影响通过简单的化学还原法合成了PtAu/C纳米催化剂。我们发现，在反应过程中还原剂的浓度对最终所得催化剂的纳米结构和颗粒尺寸均具有较大影响。在反应过程中，低还原剂浓度导致具有核壳结构的催化剂的生成；而高还原剂浓度将会导致合金状态的催化剂的生成。此外，在反应过程中高浓度的还原剂的存在还能够降低最终所得的催化剂纳米粒子的粒径并获得粒径分布范围狭窄的纳米催化剂。将上述两种结构的催化剂应用于甲酸电氧化体系中发现，具有合金结构的纳米催化剂与具有核壳结构的催化剂相比具有高得多的催化活性。这主要来源于合金结构使得原本连续存在的Pt活性位得以分离，从而抑制了甲酸氧化的间接途径并促进了直接氧化途径，即整体效应。
5．直接甲酸燃料电池组装及性能测试研究了碳纸的亲疏水性和厚度、微孔层、不同支撑材料以及MEA制备方法对DFAFC性能的影响。其中，发现阳极扩散层对DFAFC性能有着十分大的影响，阳极采用疏水扩散层会严重阻碍甲酸的传质，使电池性能严重下降。因而，在DFAFC中阳极应当采用亲水扩散层；另外，以PTFE为粘结剂的微孔层的存在也将限制电池的放电性能；同时还考察了分别以碳纸，碳布作为扩散层时的电池性能，结果证明以碳布作为扩散层时电池性能较高；MEA的制备方法对DFAFC的性能也具有显著的影响，其中采用转印法制备的MEA由于催化层与膜之间的紧密结合和相对较高的催化剂利用率而具有更高的电池最大放电功率密度。