质子交换膜燃料电池以其清洁高效的特点受到研究者关注，但是其高昂的成本阻碍着大规模应用。本文以制备低成本、高耐久性、高催化活性中心利用率的燃料电池催化剂和催化层为出发点，在载体预处理、催化剂制备条件优化、催化层结构设计和优化这几个方面展开了以下研究:　　首先用不同氧化剂和操作方式对碳纳米管进行了表面改性，论证了这些表面处理方法能够在碳纳米管表面引入缺陷，作为锚位利于铂颗粒的负载;优选出了超声混酸处理为较优的表面改性方法。　　其次以多元醇化学还原法制备了Pt/CNTs催化剂，考察了制备条件和后处理过程对催化剂电化学性能的影响。发现反应液的pH值对催化剂性能具有重大影响，最优pH=12;而还原温度和还原时间对催化剂性能影响较小;证实了该催化剂的催化氧还原反应为4电子途径，耐久性优于商业Pt/C催化剂。　　为了提高催化层中铂的利用率，降低催化层铂载量，提出了基于buckypaper、具有催化活性中心和孔隙率梯度分布特性的新型结构催化层;该结构能够促进燃料电池的传质和电子电导过程，从而提高贵金属铂的利用率，提升催化层性能。　　最后利用Pt/C催化剂制备了铂含量分别为0.09和0.135 mg/cm2的梯度分布结构的buckypaper催化层，利用Pt/CNTs和Pt/C催化剂制备了铂含量为0.135 mg/cm2的梯度分布结构的buckypaper催化层，并与传统结构的催化层相对比，在实验上论证了梯度分布结构的催化层能够提升催化层和膜电极的性能，并基于上述催化层探讨了催化层厚度对膜电极性能的影响。