能源短缺是世界各国面临的重大难题,使用质子交换膜燃料电池等可再生能源系统代替传统化石能源发电系统是缓解该问题的有效途径。然而,目前在质子交换膜燃料电池的商业使用中最为广泛的电极催化剂材料为铂碳,但其在使用中存在成本高和长时间运行后的电极表面温度非均匀化严重的缺陷。因此,以降低催化剂成本和提高电极热稳定性为导向,设计并制备一种兼备非贵金属高效催化和高导热特性的电极,是目前研究中待解决的问题。在石墨烯所具有的众多物理化学性质中,其高效导电与导热特性为协同解决上述难题提供了理论上的可行性。本论文以掺杂改性石墨烯界面材料的电化学与热物理耦合特性为研究重点,对其氧化还原反应过程以及组装成气体扩散电极后的表面传热过程进行研究。具体内容包括:（1）基于第一性原理研究二元共掺杂石墨烯结构稳定性、电子转移和吸附解离行为。通过研究可以发现,掺杂的磷（P）和硼（B）原子位置由于电负性弱于碳（C）原子从而形成带正电荷的催化位点。P与N比例为1:3的二元非等量掺杂石墨烯（G-PN3）和P与N比例3:1的二元非等量掺杂石墨烯（G-NP3）在P原子位置上所带的正电荷明显高于其他掺杂构型。除此之外,氧分子更倾向于吸附在G-PN3和G-NP3的洞位上,且N,P共掺杂石墨烯被发现更有利于氧分子吸附,离解后的O原子在移动过程中倾向于P原子而偏离N原子,趋势与自由氧分子吸附过程相似。然而,过于强烈的吸附效果也会导致氧分子的直接解离并形成很强的键合,不利于进一步的迁移反应过程。（2）通过密度泛函理论计算非等量P,N共掺杂石墨烯吸附活性的机理和氧化还原反应的热力学过程。可以看出sp~3杂化型掺杂石墨烯比sp~3d杂化形成掺杂石墨烯在热力学自发性上更为有利。计算结果进一步表明,氧分子可以直接在G-PN2C1和G-PN3结构表面上解离。通过结果分析还可以发现对于第一个水分子的形成途径,G-PN2C1和G-PN3结构表面的氢离子反应生成水的过程中的ER（Eley-Rideal,ER）机制路径由于存在较低的能量势垒而优于LH（Langmuir-Hinshelwood,LH）机制路径。在比较不同中间步骤的Gibbs自由能后可以发现吸附羟基结构的吸附反应步骤由于热力学能变化达到最低因此被认为是G-PN3C1和G-PN4构型的氧化还原反应限制步骤,而G-PN2C1以及G-PN3的反应限制步骤可存在于两种反应过程。（3）研究采用一步热还原法合成不同质量含量比的活性炭微球作为层间间隔物的N,P共掺杂石墨烯（N,P-G）物理化学特性。通过研究可以发现,非等量P,N掺杂比例对应700℃,800℃和900℃下的比例结构式分别为G-P1N1.5,G-P1N2.1以及G-P1N2.9,且G-P1N2.9所对应的平均电子转移数最高。此外还可以发现添加10%碳纳米微球（AC）后的N,P-G在相同尺度下的表面层间自由分散性较好,因此介孔结构的增加更有利于反应物质的传质过程。从电化学实验结果分析可以看出,10%AC@N,P-G的还原峰电位最高,并且在氧化还原过程的催化过程的稳定性优于其他含量下的掺杂石墨烯和传统Pt/C。（4）基于AC@N,P-G研究复合气体反应电极的热均匀性以及对输出功率的耦合影响机制。实验结果表明,10%AC@N,P-G基底拥有较高的导热系数,与传统碳黑基底相比其导热系数显著提高了57.14%。通过红外热像仪分析后可以发现稳定时刻10%AC@N,P-G基底下的传热因子大于碳黑基底,并且碳黑基底和10%AC@N,P-G基底下的电极表面非平衡导热系数分别稳定在17.62%与12.78%,因此10%AC@N,P-G基底下的电极表面热输运性能优于碳黑基底。通过单电池测试后发现,10%AC@N,P-G基底的气体反应电极只有在最佳质量比下才能完全展现石墨烯作为基底材料在电极中的优势。最后,通过稳定性测试可以发现10%AC@N,P-G基底的质子交换膜燃料电池单电池系统具有较高的稳定性。（5）针对电极材料导热系数各向异性对质子交换膜燃料电池在不同环境温度下的电化学与传热传质耦合特性进行系统性研究。结果表面,对于各向异性的电极导热系数工况,减小Z方向上的导热系数相比于其他方向的对于系统整体的输出性能改变最为明显。此外,在低操作电压下电流密度沿着速度进口先增加而后平稳或下降,而高操作电压下则一直沿速度进口方向持续下降。结合液态水的摩尔浓度分布分析可以发现,平均温度较高的异性导热系数工况所对应的液态水摩尔浓度略低于各向同性时的工况,环境温度较低时沿电极Z方向合适的异性导热系数可以有效提升质子交换膜燃料电池的输出性能,但环境温度过高将限制电化学反应性能的提升。综合而言,本论文以改性非等量P,N掺杂石墨烯基底材料探索了高效催化与热稳定协同特性的电极界面材料对于提高质子交换膜燃料电池系统的安全与可靠性影响机理,研究结果对于全面推广燃料电池等新型清洁能源系统的商业化应用具有重要的理论参考价值。