能源和环境问题乃当今社会人类面临的重大问题,由于化石燃料的储量有限,加之人类对其过度使用,以及过去人们片面追求经济发展而忽视环境保护所带来的众多问题已对人类社会构成了极大的挑战。因此,开发无污染的可再生能源,提高能源利用效率,以成为了社会可持续发展的必须解决的重要课题。作为新能源中最为重要的一种,燃料电池是作为一种能量效率高、使用操作温度低且便携无污染的新型电池出现在人们的视野中,其中直接甲醇燃料电池(DMFC)更是由于其体积小易携带、高的转化效率、燃料廉价来源广泛及产物几乎绿色无污染等优点受到人们重视。自DMFC技术问世以来就一直保持其热度不减,人们普遍认为该技术具有良好的发展潜能,假以时日,一定可以得到普遍的应用。大量研究表明,作为贵金属,Pt 一直是具有良好的催化性能和电性能,其被应用在汽车尾气处理、石油裂解、催化等众多领域。同样,Pt也是DMFC最有效的催化剂,一直被用于DMFC阳极甲醇氧化反应和阴极氧气还原反应。然而,Pt金属不仅储量少、价格昂贵,而且Pt阳极催化剂存在CO毒化及其他表面吸附问题,影响了催化剂的活性和稳定性。因此,研发Pt基催化剂的替代品迫在眉睫,为了得到性能更为优异的Pt基催化剂,研究人员常常通过加入过渡金属如Ni、Co、Sn、Cu和Fe等方式在保证其催化性能的基础上,降低其造价,从而尝试推进燃料电池的大规模商业化。基于上述研究背景,本论文开展了 Pt基-过渡金属Cu和Fe合金纳米晶燃料电池催化剂的可控性构筑及其对甲醇电氧化反应和氧气还原反应的电催化性能的系统研究。本文第一章为绪论部分,该部分首先概括了燃料电池的发展历史、分类和基本原理,接下来从DMFC的优势、原理、发展现况和发展面临的瓶颈方面进行了阐述,最后,针对DMFC阳极电催化剂的分类进行讨论,基于Pt基合金催化剂具有的优势,我们拟定了本文的研究方向和重点,设计了实验方案。本文第二章以DMF为溶剂、PVP和NaBr为形貌调控剂、以Pt(acac)2和Cu(acac)2为前驱体,通过调控甘氨酸、甲醛、水合肼、抗坏血酸和硼氢化钠等还原剂,采用溶剂热法一锅合成了具有不同尺寸和形貌的PtCu和Cu@PtCu核壳结构双金属合金纳米晶催化剂。通过调控前驱物比例、还原剂种类、反应时间与温度、溶剂种类、表面活性剂种类等条件,尝试对所得PtCu和Cu@PtCu双金属合金催化剂的物相、结构、尺寸、形貌和表面特性进行调控,获得具有球形、四面体、八面体、枝杈状、核壳等结构和形貌各异的PtCu和Cu@PtCu双金属合金催化剂,系统研究了上述催化剂对甲醇电氧化反应的催化性能。研究表明,PtCu和Cu@PtCu合金纳米晶催化剂的甲醇电氧化性能与其结构、形貌、尺寸、表面特性等特性具有极大的依赖关系。其中,Cu@PtCu双金属合金纳米晶催化剂由于具有独特核壳结构,使其Cu核可有效地向PtCu壳层传递电子,且由于DMF和PVP含有N元素,在合成过程中原位实现了 Cu@PtCu双金属合金纳米晶表面的高活性N物种的掺杂,进而极大地提升了 Cu@PtCu双金属合金纳米晶催化剂的甲醇氧化催化性能,其电化学活性可达1568 mA cm-2,是商用Pt/C催化剂的7.1倍(221mA mA cm-2),展现出了优异的甲醇电氧化活性,同时具有良好的稳定性。本文第三章在PtCu和Cu@PtCu双金属合金纳米晶催化剂研究的基础上,通过掺入第三种金属制备三金属合金纳米晶催化剂,以期进一步提升催化剂对甲醇电氧化反应和氧还原反应的催化活性和稳定性,实现同时对甲醇电氧化反应和氧还原反应具有优异的双功能催化特性。据此,在保持PtCu和Cu@PtCu双金属合金纳米晶催化剂的合成条件的基础上,以Pt(acac)2、Cu(acac)2和Fe(acac)3为前驱体,通过调整反应物前驱体种类和比例,成功制备了 PtFeCu三金属合金纳米晶催化剂,并对其甲醇电氧化反应和氧还原反应的双功能催化特性进行了深入研究。研究结果表明,相较PtCu和Cu@PtCu双金属合金纳米晶催化剂,PtFeCu三金属合金纳米晶催化剂对甲醇电氧化反应的催化性能得到一定提升,这主要因为催化剂中Pt-Fe的协同效应降低了 Pt-CO键结合能,导致CO更容易被氧化,从而提高了催化剂的稳定性和活性。同时,该催化剂还兼具较好的氧还原反应催化活性,其半波电位在0.5MH2SO4溶液中达到0.83V,优于文献报道中的大部分同类催化剂,成功实现了双功能催化特性。虽然目前有较多对甲醇电氧化反应或氧还原反应具有高效催化活性的电催化剂,但是能够对两种催化反应都具有较高催化活性的双功能催化剂报道并不多见,因此该PtFeCu三金属合金纳米晶催化剂将在燃料电池领域具有良好的应用前景。本文第四章对全文进行了总结,并对论文未尽科研工作和未来研究进行了展望,为后人开展相关研究提供了指导。