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为了解决当前世界面临的能源短缺和环境污染两大难题，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其工作温度低、无污染、比功率大、启动迅速、能量转化率高等优点，在便携式电源、电动机车和野外电站等领域具有广阔的应用前景，已经得到了世界范围的极大关注。但是，PEMFC催化剂的稳定性问题仍是阻碍燃料电池商业化发展的关键问题之一。本文以稳定性好的石墨烯载体材料，以及提高贵金属Pt催化剂在载体表面的分散与稳定为研究主题，通过分别采用石墨烯、功能化石墨烯和三明治结构石墨烯/纳米碳为载体，制备了催化活性好、稳定性高的PEMFC催化剂。主要研究进展如下:
1.通过减少氧化石墨烯(GO)表面的含氧基团调节载体表面的含氧量与石墨化程度，发现还原氧化石墨烯载铂（Pt/RGO）催化剂的性能与稳定性随着载体中的氧/碳(O/C)原子比呈先增加后减少的趋势，从而得出氧化石墨烯表面的氧化基团与石墨化程度均对催化剂的性能与稳定性具有重要的双功能作用。研究表明，当载体中O/C值为0.14的时候，所得到的Pt/RGO催化剂的稳定性与性能达到最优。
2.采用全氟磺酸树脂(PFSA)稳定化制备出Pt颗粒均匀分散且粒径分布范围较窄的石墨烯载Pt催化剂(PFSA-Pt/GNS)。高分子导质子聚合物PFSA不仅增加了三相反应界面，同时增强了Pt与石墨烯材料之间的相互作用，提高了催化剂的催化活性与稳定性;而且，由于PFSA的亲水性与吸附特性，经PFSA稳定的催化剂抗CO中毒能力增加。
3.第一次将热解硫酸铵的方法应用于GO的磺化处理，使得GO表面成功地被接枝磺酸基团。同时，GO也得到一定程度的还原，将得到的磺化石墨烯(S-rGO)用作Pt催化剂载体材料，Pt/S-rGO催化剂的催化活性与稳定性较Pt/GO、Pt/rGO及Pt/C催化剂有显著提高。
4.采用冻干辅助法制备氮掺杂还原氧化石墨烯(NRGO)，研究结果表明，冻干法有利于石墨片层的分散，而且掺杂的过程伴随着GO的还原，得到的NRGO中N的含量可高达5.06％。以NRGO作为载体制备的Pt/NRGO催化剂相对于Pt/GO与Pt/C催化剂显示了较高的活性及优异的电化学稳定性，特别是其阴极氧还原反应(ORR)的稳定性得到了显著改善。经过1000圈加速试验，其ORR活性与加速前相比基本上保持不变。
5.采用一种简单的纳米导电碳球插层的方法，成功地制备了一种新型的具有纳米三明治结构的石墨烯/纳米碳复合材料(GCG)。这种三维纳米结构不仅增加了载体的比表面积，还能够有效地保持石墨烯片层的高分散性;同时，在材料内部形成稳定的传输通道，有利于保持反应物质(H+、O2)以及反应产物(H2O)在其内部的高速传输。将其应用于催化剂载体材料，这种Pt/GCG催化剂比未经插层的Pt/GNS以及商业Pt/C催化剂具有更高的催化活性与电化学稳定性。