质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC),能够有效地将化学能转化为电能,由于其高效率、高功率密度和零排放的特点,被认为是未来非常有潜力的移动能源装置。PEMFC的商业化需要克服一些问题,例如高成本、活性低和耐久性不足,其中电催化剂被认为是决定PEMFC的成本和耐用性的关键所在。目前,报道较多的是采用两种途径降低PEMFC的催化剂成本:一种是开发基于非贵金属的高活性、高稳定性的氧还原(ORR)催化剂;另一种是提高金属利用率从而降低金属用量。本论文从功能碳载体的制备入手,探索了基于碳载体构建氧还原催化剂的研究,主要内容如下:第一部分:三维多孔碳材料的制备及其在氧还原催化剂中的应用研究。本研究工作利用了科琴超级导电碳黑Ketjen black EC-300J、三聚氰胺、甲醛等原材料,通过皮克林乳液聚合法,合成了高含氮量的三维碳材料Fe/NRC(nitrogen-rich carbon aerogel,NRC aerogel)。在表征过程中,对不同碳化温度下得到的EC-300J、NRC、Fe/NRC进行了形貌观测,晶型结构分析等,并进一步研究了其氧还原催化性能。研究发现,其形貌呈类似蜂窝状的三维多孔结构;催化活性优异;稳定性极佳,在循环10000圈之后,基本与原ORR曲线相差无几,循环20000圈之后,半波电位仅有2.804%的衰减。第二部分:氮掺杂中空碳材料的制备及其在电催化氧还原中的应用研究。本研究工作首先利用了二氧化硅模板法合成中空碳球(hollow carbon sphere,HCS),其中液态聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)作为碳的前驱体,在后期功能化过程中,再复合铁盐以及EC-300J以合成Fe/HCS/C,最后对其各阶段产物进行了形貌分析、热重分析、拉曼光谱分析以及氧还原催化性能的研究等。在进行形貌表征过程中,发现得到的碳材料HCS,碳球的直径约为120 nm,通过调节PAN的浓度等,HCS的形貌实现了一定程度上的可控,从高度有序到产生缺陷;通过对氮气吸脱附曲线的分析,证实了所有的HCS均只含有极少量的微孔,大部分是中孔和大孔;通过Raman分析,说明了HCS是一种部分石墨化的碳材料。随后,在功能化中,我们得到的Fe/HCS/C具有较为可观的活性与稳定性,可以尝试进一步改善为高性能的非贵金属氧还原催化剂。