质子交换膜燃料电池作为一种高效清洁的能量转化技术，必定会在未来的非化石能源体系中发挥不可替代的作用。如果将燃料电池和电解池技术结合起来，更能满足多种形式的能量储存及再转化的应用需求。廉价的高性能氧还原催化剂无疑是燃料电池技术大规模应用的关键因素之一。目前应用于质子交换膜燃料电池阴极的催化剂主要为Pt基、催化剂。虽然它具有很高的氧还原活性和化学稳定性，但是贵金属天然的稀缺性、催化剂的高成本和有待提高的电化学稳定性等问题限制了燃料电池技术的商业化应用。针对这个问题，本论文进行了质子交换膜燃料电池Fe基氧还原催化剂的相关工作，研究了热处理Fe/N/C类氧还原催化剂和新型的石墨化碳层包覆结构Fe基氧还原催化剂。主要集中在两个方面:一是探索催化剂结构、组分等性质与催化性能之间的关系，从而设计出性能更理想的催化剂;二是探索实验方法和条件来合成所期望得到的催化剂。主要研究内容如下:　　1.热处理Fe/N/C类氧还原催化剂　　(1)通过使用聚苯胺纳米线作为C和N共同的前驱体合成了一种自支撑的Fe/N/C类氧还原催化剂。我们发现聚苯胺纳米线形貌结构在热处理过程中能够保存下来，使所合成的催化剂具有均一的纳米棒结构。这个方法为合成形貌可控的自支撑型Fe/N/C催化剂提供了一种新的思路。此外，我们发现所合成催化剂的氧还原起始电位为0.905 V(vs.RHE)，氧还原过程为四电子过程。随着前驱体中Fe含量的增加（从0到3 wt％），催化剂的性能逐步提高，进一步增加前驱体中Fe含量会引起催化剂活性的降低。　　(2)通过比较常规Fe/N/C催化剂和P掺杂的Fe/N/C催化剂的形貌结构与催化性能，我们发现P掺杂对于热处理Fe/N/C催化剂氧还原性能的促进作用。P的掺杂是通过在催化剂制备过程中加入磷酸酯作为前驱体来实现的，并且其对催化剂的形貌结构没有明显影响。相比没有掺入P的催化剂，掺杂P后的催化剂表现出了相似的氧还原起始电位但是更高的氧还原电流密度。所制得催化剂的活性和稳定性在直接甲醇燃料电池中也得到了验证。　　2.碳层包覆结构Fe基氧还原催化剂　　(1)通过高压热处理的合成方法我们制得了一种新型的石墨化碳层包覆结构Fe基催化剂。这种催化剂具有均一的空心碳球结构，碳球中包覆着均一的Fe3C颗粒，催化剂表面只含有极少量的N和Fe。在酸性溶液中，碳层保护着Fe3C颗粒使其不与溶液进行反应，而Fe3C颗粒与碳层间的电子作用使表面碳层具有了一定的氧还原活性。催化剂无论是在酸性还是碱性溶液中都具有优良的氧还原活性和稳定性。这种新型的催化剂以及这对这种催化剂所提出的活性位点机理对于合成高活性高稳定性的非贵金属催化剂提供了一种新的思路。我们还在低温氢氧质子交换膜燃料电池和高温磷酸掺杂的聚苯并咪唑质子交换膜燃料电池中验证了该催化剂的活性和稳定性。　　(2)我们探索了碳层包覆结构Fe基催化剂的结构形成机制和氧还原活性位点。在500℃时，前驱体中的氰胺聚合成球状的三聚氰胺，这决定了催化剂最终的球状结构。在600℃-660℃时三聚氰胺球开始逐步分解，开始出现一定量Fe3C相以及可能的Fe-Nx/C活性位点。此时催化剂的活性很低，较低的电子导电性可能是原因之一。当热处理温度为700-800℃时，催化剂结构为空心碳球中包裹着Fe3C纳米颗粒。这种催化剂的表面含N和Fe的含量很低，而且氧还原反应是2电子和4电子混合过程。这些结果都支持我们对于催化剂活性位点的观点，即Fe3C颗粒与包覆碳层间的电子作用使外部碳层相比普通碳层具有了更高的氧还原活性。　　(3)我们发现了一种直接简便的制备石墨烯复合材料的方法，即通过高压热处理非石墨前驱体的方法合成多层石墨烯/Fe3C颗粒复合材料。整个合成过程直接、简便，易进行放大合成。当把所得到的石墨烯/Fe3C颗粒复合材料作为氧还原催化剂进行测试，我们发现它在0.1 M KOH中具有很好的氧还原性能和稳定性。相比Pt/C催化剂，它们具有相同的氧还原起始电位和半波电位（注:催化剂用量不同）。