随着能源消耗的日益增长,环境的日趋恶化,传统化石能源转换方式急需变革,开发新型高效清洁的能源方式是人类未来的必经之路。质子交换膜燃料电池作为新型能源的典型代表,集高转换效率、清洁无污染、无振动噪音低等优点于一身,可广泛的应用于日常生活、军事、交通运输等领域。其中在交通运输领域,质子交换膜燃料电池被认为有潜力改变消耗全球年产石油60%的交通运输业,该能源转换装置是取代现有汽车内燃机的重要途径之一,具有十分重要的意义。目前,质子交换膜燃料电池广泛使用铂基电催化剂,其电堆组装技术水平已达到0.2g Pt/k W-1。然而,按照汽车行业中铂的全球使用量（Johnson Matthey 2020）与汽车的需求量（90吨（t）铂,生产9500万辆车）这样的大规模应用必须要将系统铂利用率降至0.01 g Pt/k W-1,相比目前的技术水平来实现这一规模的生产挑战巨大。因此,在极低铂负载量的膜电极组装（MEA）中,必须实现更高的铂质量活性和更高的铂利用率,以减少所需的铂使用量。目前,高活性的电催化剂在燃料电池的实际应用过程中往往很难充分表达,主要原因在于燃料电池催化剂研究集中在纳米层级的结构优化与构筑,缺少对新型不连续电解质体系中介于纳米尺度（催化剂）到微米尺度（催化层）之间的系统性认识。因此,探究催化层中的三相界面的基础理论与优化策略,合理设计制备高效传质性能催化层与高Pt利用率催化剂,对实现低铂膜电极性能提升和高品质电能输出十分重要。基于此,本论文就在燃料电池MEA中介观基础问题,开展介于纳米颗粒与膜电极材料之间的物相、分布、表界面结构、非均匀结构的形成及其传质性能等介尺度机制研究:（1）基于催化层中离聚物与纳米颗粒的界面的介尺度问题:针对传统多孔结构催化剂构建的催化层中质子传输阻抗较大,易水淹,稳定性差等缺点,利用分布压差,控制液流的策略,开发了一种真空灌注构建催化层的方法。在具有多级孔结构的金属有机化合物中引入铂,形成镶嵌铂合金颗粒的多级孔催化剂。由该催化剂构建的传统型催化层在相同载量条件下与商业铂碳构建的传统催化层输出性能相近,该膜电极的铂利用率达到0.235 g Pt/k W,稳定性较差（24小时,衰减25%）。通过新型开发的方法对催化层进行Nafion胶束灌注,增强催化剂与Nafion的相互作用,不仅降低了催化层中的质子传递阻抗,同时提高了其动力学反应性。使得该处理后的膜电极表现出较高的铂利用率(0.144 g Pt/k W),在连续运行300小时几乎不发生衰减,展现出极佳的稳定性。（2）基于纳米颗粒分散与催化层传质的介尺度问题:针对密堆积型传统催化层易造成较多死角,空位使得铂的利用率降低,传质阻力较大等问题,受到具有高效传输、相互贯通的神经网络启发,开发了一种具有类神经网络结构的催化层结构。在ZIF-67的生长过程中引入修饰过后的铂颗粒,经过晶体的原位生长形成均匀包覆铂颗粒的十二面体。通过控制热解和酸洗工序进一步形成由镶嵌中空铂钴合金颗粒的碳纳米管相互交织组成的类神经结构网络,该催化剂不仅具有较高的质量比活性(0.852 A/mg Pt@0.9V),还具有良好的稳定性。同时在膜电极较低的载量（0.1mg/cm~2）条件下,由该催化剂组成的类神经网络结构的催化层具有极高的铂利用率(58 mg Pt k W-1),产生了较高的输出性能（1.02W/cm~2）,在恒电压0.6V持续运行130小时未发生明显衰减,表现出较好的稳定性。（3）基于膜电极动态电流与排水空间的介尺度问题:针对燃料电池动态特性及动态排水空间受限导致其电流不规则波动,进而影响输出电能品质和燃料电池系统及其他电子元件的寿命和维护成本等问题。我们开发了一种外延生长的方法制备排水空间可调控的抗溺水电极,通过调控载体的成核位点密度,形成一种具有不同排水空间的类超晶体结构微米级铂基催化剂。该催化剂的结构设计有效的增强了其抗溺水性,同时建立了立方体之间的高效互通。该催化剂制备的电极不仅表现出极佳的抗溺水性,在极低的电流振幅(25 m A cm-2)下持续稳定的输出高品质电能,同时提高了铂的利用率,使其组成的MEA比功率密度达到11.69 W mg Pt-1,表现出极高的应用价值。（4）基于新型限域效应与纳米颗粒分散的介尺度问题:针对目前在氢氧条件下,低铂燃料电池工作电压区间内输出电流密度较低,气液传质阻力较大,铂利用率偏低等问题,利用限域效应开发一种铂基限域型催化剂。该限域型催化剂不仅在低铂载量条件下,可以输出较高的功率,实现铂的高利用率,同时在燃料电池工作电压区间内保持较高的工作电流输出。在氢氧燃料电池中,限域型催化剂不仅在工作电压区间内可保持高效输出,尤其在0.9 Vi R-free质量活性(MA0.9V-i R-free)可达到2.9 A/mg Pt,是2025年DOE质量活性指标的6.59倍,同时根据DOE老化规则老化30000圈后的衰减率只有17.40%,远低于2025年DOE的衰减指标值（40%）表现出的优异性能使该催化剂成为目前最好的催化剂之一。