近年来,针对不断恶化的环境问题以及对可持续能源的需求,质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高效、环保等优点而备受关注。传统Pt基催化剂因其优异的催化活性,仍被认为是目前商业化应用的理想催化剂。然而,其高成本及相对较低的稳定性极大地限制了它的商业化应用。因此,开发低成本、高活性及高稳定性的新型催化材料具有重要的现实意义。针对上述问题,本文选取了相对较为廉价的过渡金属,通过对反应条件的优化(包括结构、形貌、组成、杂原子表面修饰、晶面等),控制合成了系列铂基Pt-M双功能纳米合金催化材料。并以甲醇电氧化(MOR)和氧气还原反应(ORR)为模型反应,对上述催化材料的催化活性及稳定性进行了系统研究。研究内容主要包括RuMPt(M=Fe,Ni,Cu,Co)纳米催化材料、PtNi-N纳米催化材料以及表面碳氮掺杂的PtNiCo@C-N纳米催化材料:(1)首先,采用两步还原法,成功制备Ru-M-Pt(M=Fe,Ni,Cu,Co)合金纳米催化枝状材料,并用于直接甲醇燃料电池的阳极氧化和阴极还原反应。由于RuMPt特殊的几何枝状结构、电子结构以及原子之间强烈的催化协同作用,其表面暴露的活性位点数显著增多,更加有利于溶剂分子的扩散和传质,从而有利于提高催化剂的催化效率和稳定性。研究结果显示,所形成的RuCoPt三元金属合金纳米催化材料,对于甲醇电氧化反应和氧气还原反应均表现出优异的催化性能和稳定性。(2)采用溶剂热法,控制合成了结构、形貌及晶面可调的Pt-Ni-N纳米催化材料。重点对前驱体Ni2+体积、溶剂中水与乙二醇的比例(R)、KI的量、晶化反应时间等进行了系统研究。研究结果表明,当前驱体Ni2+为0.4mL、R=4:1、KI为0.04 mL时,经过N原子表面修饰的Pt-Ni-N纳米催化材料呈现出单分散纳米花状结构,且暴露(111)和(220)晶面。以甲醇电氧化催化反应以及氧气还原反应作为模型反应,对不同的Pt-Ni-N纳米催化剂的催化性能进行表征。研究结果表明,Pt-Ni-N的催化活性及稳定性均优于PtNi,Pt-N以及商用Pt/C催化剂。本章使用密度泛函理论计算(DFT)方法,通过分析甲醇分子在不同晶面上的分解和吸附能,来探究Pt-Ni-N催化剂在不同晶面对甲醇氧化反应催化性能的影响。(3)利用溶剂热法,控制合成了 PtNiCo@C-N纳米催化材料。通过优化油胺和油酸的比例,对催化剂样品的结构、形貌、暴露晶面及催化性能等进行了系统地研究。并结合X-射线光电子能谱(XPS)的表面刻蚀技术和溶剂配体交换实验,重点对催化剂表面的C、N原子的位置、含量、成键方式及对MOR和ORR催化活性和稳定性的影响进行了详细探讨。研究结果表明,当只选用油胺作为溶剂时,所合成的PtNiCo@C-N纳米催化材料呈现出纳米立方体形貌;配体交换实验证明,催化剂表面的C、N原子有利于提升甲醇电氧化和氧气还原反应催化活性及催化稳定性。