质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、不依赖矿物燃料等重要优点,在交通运输、应急/备用电源、航空/航天以及水下潜艇等军用和民用领域均有广阔的应用前景。然而,其大规模商业化应用仍然面临着成本过高和耐久性不足的严峻挑战。大量的研究工作已表明:由于碳载铂纳米粒子催化剂中载体的腐蚀、Pt纳米粒子的团聚/迁移/溶解所引起的催化剂性能的衰减是燃料电池耐久性不足的最为重要的原因之一。尽管国内外已开展了大量的研究工作,但是问题仍然没有能够得到很好的解决。本文尝试采用氧化物薄层对Pt/C催化剂进行包覆处理的方法提升燃料电池催化剂的稳定性,进而提升燃料电池的耐久性。通过催化剂表面薄层多组分氧化物的覆盖,实现了催化剂及膜电极耐久性的大幅度提升。具体研究工作如下:首先,以有机硅酸酯为原料,采用控制水解、高温热处理工艺,实现了在Pt/C催化剂粒子表面的氧化硅薄层包覆,TEM研究揭示:氧化硅薄层不仅仅覆盖在了碳载体的表面,还很好地覆盖在了Pt纳米粒子的表面,厚度约为2-3nm。将经过覆盖处理的催化剂制作成为膜电极,研究了覆盖处理对于催化剂及膜电极活性及耐久性的影响,结果表明:采用氧化硅薄层覆盖后,催化剂的活性基本保持不变,而耐久性则得到了大幅度的提升。采用美国能源部的标准方法对膜电极进行加速老化试验,10000圈加速老化循环后,氧化物覆盖催化剂的膜电极在0.6V的电流密度仅仅降低了4%,电化学活性比表面积(ECSA)仅仅降低了45%;而对于未经包覆的催化剂制得的膜电极,相同条件下的电流密度则降低了27%,电化学活性比表面积的降低更是高达80%。本文还研究了包覆处理条件对于催化剂性能的影响,发现氧化物包覆量为10wt%,后处理温度为700℃时制得的催化剂具有最好的耐久性。由于氧化硅对铂颗粒的精确锚定效应,抑制了Pt纳米催化剂的迁移、团聚及溶解的Pt离子向外扩散,因此减缓了铂颗粒的长大和性能的衰减,大大提升了催化剂的稳定性;我们还采用XPS对样品进行了进一步研究,结果发现:氧化硅薄层包覆后,铂的结合能有所增加,说明铂与包覆的氧化硅之间可能存在一定程度的相互作用。其次,我们研究了PTFE与氧化硅来共同包覆商业Pt/C对于催化剂耐久性及催化层水管理的影响。TEM显示在铂纳米粒子表面形成了2-3nm的薄层氧化物层,700℃热处理没有引起铂颗粒的明显烧结和颗粒长大,说明氧化硅及PTFE较好地包覆在催化剂表面。加速老化的结果表明:PTFE的进一步添加仍然能够使得催化剂维持较好的活性及耐久性。然后,我们测试了不同阴极加湿湿度对催化剂性能的影响以及膜电极接触角,结果表明添加PTFE修饰的催化剂在大电流区域电压较为稳定,且催化层亲水性较小,说明PTFE的修饰有利于催化层的水管理,使其能够更加适应加湿条件多变的实际工况。