全球化石燃料的消耗日益增多,由其带来的温室效应、雾霾等环境问题越来越凸显。寻找一种清洁无污染的可替代能源是人类面临的巨大挑战之一。在诸多清洁能源之中,燃料电池由于其诸多的种类使得它们作为一种广泛应用新型能源。质子交换膜燃料电池是作为一种广泛发展的装置,仅使用H₂/O₂两种燃料来反应生成水。在这种质子交换膜燃料电池中,氧还原反应（ORR）是一个极为重要的半反应,这项技术可以将能源转换装置与电解池结合使用,以向大众输送电力。由于氧还原半反应较高的反应能垒以及较慢的反应速率,需要高载量的Pt基电极催化剂,因此阴极的电化学动力学损失和成本在燃料电池系统中所占比例最大。由于Pt的稀缺性,寻找替代催化剂是燃料电池技术的主要任务之一。因此,本论文基于目前ORR催化剂的发展趋势,主要研究了低Pt/非Pt催化剂在ORR中的应用,主要工作内容如下:（1）良好的载体材料的开发可以在降低成本的同时提高Pt基催化剂活性与稳定性。通过溶胶-凝胶的方法将TiO₂负载在含有氮原子掺杂的碳材料中作为Pt纳米颗粒的负载的载体。高度分散的Pt纳米颗粒均匀的分散在TiO₂上,增强的金属与载体间的相互作用以及氮原子的协调作用使得合成的Pt/TiO₂-NC催化剂的活性有着明显的提高。与商业Pt/C相比,ORR的半波电位向更正的方向移动了41 mV,电化学活性面积是商业Pt/C的1.36倍,质量活度为3.5倍。同时催化剂的稳定性得到了显著的提高,在10000圈的CV循环后,半波电位基本不会发生移动,电化学活性面积仅下降0.5%。对于HER反应,Pt/TiO₂-NC催化剂表现出优于Pt/C的过电位以及稳定性。由于使用了TiO₂-NC纳米复合材料,在载体提供了丰富的活性位点的基础上通过Pt催化剂-载体相互作用,修饰了Pt纳米颗粒的电子结构从而改善催化剂的催化活性。（2）开发高效,廉价和具有高稳定性的非金属电催化剂以取代商业Pt/C仍然是燃料电池应用的巨大挑战。与单组分碳材料相比,需要设计一种理想的异质结构将导电碳与多孔碳材料结合以同时实现良好的导电性和大的表面积。本部分的工作中,我们提出了一种酸化辅助组装方法,用于将活性炭球嵌入聚合物制备的多孔碳网络结构中,从而形成具有良好接触界面和超高表面积2042 m² g^-1的氧官能化碳异质结构。通过该种方法合成的异质结构,仅含有C和O的元素,相对于单组分碳材料显示出显着增强的ORR活性,并且其优异的电催化ORR性能可与商业Pt/C相当。增强活性可归因于具有含氧基团和缺陷的局部位点的活化以及增大的表面积引起的电子和质量传递以及导电性的改善。最后,该方法的成功对于构建多种异质结构具有可行性和普遍性,因此该种方法可能不限于碳和聚合物材料,适用于多种领域。