近年来极端气候的频繁出现使世界各国愈发关注环境保护这一经久不衰的话题。传统化石能源的不可再生性和对环境的破坏性已经成为各国搭建环境友好型能源系统的最大阻碍。科技发展和人口增长导致能源需求日益加剧,解决能源危机、开发绿色能源对世界发展的重要性不言而喻。在这样的客观情况和各国政府的大力支持之下,新能源领域迎来了蓬勃的发展。在新能源领域,燃料电池无疑是其中最闪烁的明星之一,它具有较高的能量密度,适宜的操作环境,绿色清洁的工作方式,被认为具有解决能源危机、缓解环境压力的巨大潜力。要使燃料电池具有大规模应用的可能性,催化剂的改良是必不可少的。就目前的研究来看,贵金属催化剂仍然是燃料电池中催化性能最为优异的一类,但是贵金属高昂的价格和稀少的储量对其进一步发展造成了不可忽视的阻碍。甲酸氧化(formic acid oxidation,FAO)是小分子燃料氧化中最简单的反应,而氧还原(oxygen reduction reaction,ORR)则是对于绝大多数燃料电池都不可或缺的部分。对于甲酸氧化过程而言,其对应的催化剂性能最优异的是钯(Pd)基催化剂,而Pd近几年来价格日益增高,造成催化剂成本的进一步攀升。而对于动力学迟缓的氧还原过程,性能最为优异的是铂(Pt)和Pd基催化剂,价格和储量同样是其难以解决的问题。对催化剂性能进行提升的方法很多,主要集中于降低催化剂贵金属用量和开发非贵金属催化剂两方面。其中,选用合适的载体和还原剂进行掺杂,控制金属颗粒的形貌都是提高贵金属质量活性和降低贵金属含量的解决方法。而在开发非贵金属催化剂这一领域,通过非金属元素掺杂调节载体和金属之间的相互作用以提升催化剂性能、获得高活性催化位点是较为常见的方法。因此,本文在催化剂中引进非金属元素进行掺杂,讨论了几种催化剂以及它们的电催化性能,主要包括以下几个方面:(1)FAO过程与Pd颗粒的晶体结构有关。我们使用硅纳米线作为牺牲模板得到了具有孪晶结构的Pd纳米颗粒,包括两重孪晶、三重孪晶和五重孪晶。非金属F元素的引进可以调整Pd的电子结构,进而调节其d能带中心,提升催化剂催化性能。该催化剂在FAO催化中性能优异,在0.1 M HClO4和0.5 M HCOOH的混合电解质中,催化剂的最佳峰值电流为0.697 A·mgPd-1,是商业Pd/C催化剂的2.9倍,其电化学活性比表面积为0.322 m2·mg-1,是商业Pd/C的3.5倍(0.091 m2·mg-1);(2)催化剂的电催化活性与电子结构密切相关。缺电子Pd由于非金属元素掺杂导致其d带中心下移而表现出比亲电子Pd更好的ORR催化性能。为了进一步证实合适的非金属元素掺杂可以改善催化剂性能,在这个工作中,借助于硅纳米线和氢氟酸,还原得到的Pd纳米颗粒均匀分散在F,N-doping石墨烯上。其中Pd/F,N-doping G-3催化剂在0.1 M KOH电解质中的ORR呈四电子途径,半波电位为0.87 V,起始电位为0.99 V,用其做阴极催化剂的锌空电池开路电位为1.40 V,功率密度可达229 mW.cm-2;(3)为了进一步降低催化剂的成本,我们使用较为新颖的合成方法,选择具有ORR催化性能的Fe3O4,将其负载于聚苯胺载体上,经高温退火后原位掺杂了非金属元素N以得到Fe-N-C型催化剂。这个方法合成的催化剂有希望成为优良的ORR催化剂。