作为一种新型清洁可再生能源转换设备,燃料电池引起了广泛的关注,被认为是解决当前能源危机的有效手段之一。设计和发展低成本、高活性和长寿命的电催化剂来提高阴极氧还原反应（ORR）动力学,是解决当前燃料电池瓶颈问题,促进其大规模商业化应用的关键。针对当前燃料电池电催化剂研究现状,我们合成了一系列单分散CuxPty、CuxPdy双金属纳米晶（NCs）或CuxAuyPdz三金属NCs,并通过适当策略将CuxPdy和CuxAuyPdz NCs组装或集成到石墨烯（G）或N-掺杂的G上,得到了一系列杂化或纳米复合物（NCPs）,如:G-CuxPdyNCPs、N-doped G-CuxAuyPdzNCPs 等。采用 EDS、XPS、ICP、XRD、TEM、HRTEM、Raman、EIS等多种分析手段对所得双金属或三金属NCs以及相应NCPs的组份、微结构和电子耦合情况进行了分析和表征。在此基础上,研究了它们在不同介质中电催化ORR或电催化氧化甲醇（MOR）性能,并通过电催化动力学实验探索了其催化机制,取得了一些初步结果。具体如下:（1）在十二胺（DDA）和油酸（OA）体系中,热处理Cu（acac）2和H₂PtC16·2H₂O固体前驱物,得到了单分散的、平均粒径为23.1nm的花状CuPt3NCs。HRTEM分析表明花状CuPt3 NCs是由许多小的NCs按照一定的方式组装而成;显示出连续且清晰的晶格条纹,条纹间距介于立方相Cu和立方相Pt之间,证明所得产物为合金NCs。相应的元素Mapping分析进一步证明在花状CuPt3 NCs中Cu和Pt元素分布均匀。一系列条件实验表明,加料顺序、温度、表面活性剂等因素影响花状CuPt3 NCs的形成。在优化实验参数的情况下,通过简单地调控前驱物摩尔比例,还可得到不规则多面体状CuPt NCs和中空状Cu₃Pt NCs。电催化测试表明花状CuPt3 NCs可在酸性介质中高效催化ORR,其起始还原电位优于不规则多面体状CuPtNCs和中空状Cu₃PtNCs以及商业Pt/C催化剂。此外,所得三种Cu-PtNCs还可在酸性介质中高效电催化MOR,其性能均超过商业Pt/C催化剂。其中,花状CuPt3 NCs显示出最佳的电催化MOR性能,其起始电位以及向前和向后峰电流密度比值（If/Ib）均优于CuPt和Cu₃PtNCs。该工作表明花状Cu₃PtNCs可作为低成本的“双功能”催化剂取代商业Pt/C催化剂用于直接甲醇燃料电池中。（2）在三甘醇和油胺（OLA）体系中,热处理Cu（acac）2和Pd（acac）2固体前驱物,可控合成了一系列高度单分散、亚 10 nm 的 CuxPdy（Cu₄Pd,Cu₃Pd,CuPd,CuPd₃,CuPd4）NCs,然后采用“分散-混合-蒸发溶剂”策略将之组装到前合成的石墨烯（G）纳米片上,得到了一系列G-CuxPdy NCPs。电化学阻抗光谱分析表明所得G-CuxPdy NCPs的界面电子转移动力学跟合金组份中Cu和Pd的摩尔比例密切相关,其界面电子转移电阻随Cu或Pd含量变化呈现出复杂的”双火山”型变化趋势。电催化测试结果表明所得G-CuxPdyNCPs在碱性介质中催化ORR反应活性也与合金中Cu和Pd的摩尔比例密切相关,相应的质量比活性随Pd或Cu含量变化也呈现出“双火山”型变化趋势,与电化学阻抗光谱结果一致。其中,G-Cu₃Pd NCPs具有最佳的电催化活性,其起始氧还原电位（-0.051 V vs SCE）优于其它G-CuxPdyNCPs和商业Pd/C催化剂,接近商业Pt/C。特别值得注意的是其在-0.4V（vsSCE）下,其质量比活性高达0.433A/mgPd,几乎达到了美国能源部2017年对燃料电池ORR催化剂质量比活性的要求（0.44A/mgpt）。通过关联合金中Pd 3d结合能、NCPs的质量比活性和合金中Pd或Cu的含量以及合金组份的尺寸和界面电子转移动力学,G-Cu₃PdNCPs优异的电催化ORR活性源于Cu₃PdNCs组份独特的电子结构、最小的尺寸以及G和Cu₃PdNCs组份之间的强烈协同作用。此外,所得G-Cu₃PdNCPs的电催化稳定性或耐受性明显优于商业Pt/C催化剂。该工作筛出了一种廉价、高效和高稳定性的富Cu合金杂化电催化剂,有望取代商业Pt/C催化剂用于碱性燃料电池中。（3）在前期工作基础上,在OLA和ODE体系中热处理Cu（acac）2、Pd（acac）2和HAuCl4·H₂O固体前驱物,可控合成了高度单分散、平均粒径为7.27 nm的Cu₃AuPdNCs。在优化实验参数的情况下,通过简单调控前驱物的摩尔比例,还得到了其它不同组分比例的CuxAuyPdzNCs。随后采用简单的“分散-混合-蒸发溶剂”策略,将所得不同组份比例的CuxAuyPdzNCs集成到前合成的N-dopedG上,得到了一系列的N-dopedG-CuxAuyPdz NCPs。以ORR反应作为探针反应,评价了所得NCPs在碱性和酸性介质中电催化氧还原性能。相比其它N-doped G-CuxAuyPdz NCPs,N-doped G-Cu₃AuPd NCPs在碱性介质中具有最佳的催化活性,优于近来报道的一些Pd-基双金属和三金属NCs催化剂,接近于商业Pt/C催化剂。相应的电催化动力学测试表明其催化ORR为一级反应,相应的催化机制遵循直接的“4e”途径。在酸性介质中,所得NCPs催化ORR反应显示出与碱性介质中同样的规律,N-doped G-Cu₃AuPd NCPs仍具有最佳的电催化ORR性能。该工作表明所得N-dopedG-Cu₃AuPdNCPs可作为一种高效阴极ORR电催化剂,用于不同介质的可再生H₂-O₂燃料电池中。