燃料电池以其高效、环境友好的发电方式，被誉为21世纪的能源技术。其中，直接甲醇燃料电池(DMFC)更以燃料甲醇来源丰富、价格低廉、储存、携带方便而成为近年的研究热点。但是，在目前的DMFC中，仍然存在一些重要问题没有解决，而这些问题直接决定着DMFC能否早日市场化。这些问题主要有，在实际应用方面存在两大问题：一个是甲醇电氧化的阳极催化剂活性低的问题，提高甲醇电氧化效率，降低阳极极化已成为DMFC的研究热点；另一是质子交换膜的“甲醇透过”严重，到达阴极的燃料在阴极上会产生混合电位，严重降低电池的输出功率和甲醇的利用率。在基础研究方面，人们对甲醇电氧化过程的电极过程动力学的了解还有待完善，由于甲醇电氧化是一个复杂的多步骤多电子过程，目前来说还没有一种很有效的研究复杂过程动力学的有效方法，另外对于电极界面异相电子转移过程，对于其本质的认识也还不够深入。本论文主要从应用和基础研究两个方面进行了一些初步研究，包括低甲醇透过的质子交换膜的开发，高活性阳极催化剂的研制，以及在理论上通过拓展原来的常规脉冲理论而得到了一种研究甲醇等复杂过程动力学的方法，并且在异相电子转移理论方面，发现一个新的反转行为，继而发现该理论预测结果可以很好地解释以前在常规脉冲实验中观察到的数据结果。具体结果如下：　　 1.低甲醇透过的新型复合质子交换膜的研制　　 在本工作中，通过溶胶凝胶法制备得了基于廉价高分子材料聚乙烯醇PVA的三元复合膜PVA/PWA/SiO2。实验发现，磷钨酸PWA能有效地被固定在复合膜内，从而获得高而稳定的质子电导，而有机硅所形成的网络结构，能有效地提高复合膜的抗水能力，并有效地增强了复合膜的机械性能。另外，基于商业化的Nafion117膜，通过TEOS的溶胶凝胶反应及随后在杂多酸，比如磷钨酸中的浸泡处理，就有效地降低了甲醇的透过，同时也维持了高的导质子能力。　　 2.纳米结构的PtRu/C阳极催化剂的赝微乳液法制备　　 在本工作中，报道一种简单的制备纳米结构PtRu/C催化剂的方法：油包水的准微乳液法。所得到的催化剂用透射电镜(TEM)，X-Ray衍射(XRD)，光电子能谱(XPS)，热失重(TGA)以及电化学方法等进行表征，结果发现这种催化剂对甲醇催化具有很高的活性。　　 3.一种基于碳纳米管和杂多阴离子复合物可替代铂的高效电化学析氢催化剂　　 通过机械研磨法制备了一种新型复合物CNTs/PWA，结果发现该复合物是一种可替代铂的高效电化学析氢催化剂，它与贵金属相比，成本更低，原料来源更丰富。其活性和稳定性可达到Pt/CNTs(20 wt.％Pt)催化剂的水平。经过进一步的谱学分析显示，在该复合物内，对析氢有效的电活性成分是通过W-C共价键固定在碳上的钨的碳氧化物。　　 4.碳和铂在氧还原过程中的协同电催化作用　　 发现了在Pt/C催化剂上氧还原过程中铂和碳之间在氧还原过程中的协同催化作用：碳载体上的两类活性基团(特殊的碳结构和羧酸基团)都能够有效地催化氧气在铂上的还原产物过氧化氢的进一步还原，这样就能够为氧还原过程的两电子过程提供连续的推动力，从而促进氧的还原和提高氧的利用率。这些结果澄清了一个重要的事实：即，碳材料不仅仅是铂金属纳米粒子的载体，而且也是电活性成份之一。在此基础上，制得了一种新型燃料电池用的阴极系统Carbon/H2O2:以纯碳材料为催化剂来催化液态氧化剂过氧化氢还原。直接甲醇燃料电池的测试结果表明，这类新型阴极系统在无氧，缺氧和空间狭小的条件下，有很大的潜力来替代贵金属铂/氧气的系统。　　 5.常规脉冲理论的拓展及其在甲醇电氧化动力学研究中的应用　　 为了研究甲醇电氧化动力学，我们拓展了原来的常规脉冲理论，使之从原来的只适用于简单的一步一电子过程，到现在的能适用于更一般的多步骤多电子过程；把拓展得到的理论用于在多晶铂电极上的从甲醇到甲酸的电氧化上，成功地得到了一些相关的动力学参数。　　 6.甲醇氧化中间产物COad在多晶铂电极上的电氧化动力学　　 用电化学方法证明了甲醇氧化中间产物为COad。通过近似，把二级基元反应近似按一级反应来处理，并用上面得到的常规脉冲理论来具体的研究了特殊的二级基元反应：甲醇氧化的中间产物COad在多晶铂电极上的电氧化过程动力学。　　 7.电极界面异相电子转移速率常数与重组能和反应物浓度的依赖关系　　 对于溶剂化体系的电极界面电子转移过程，由于电极上电子状态的连续性分布，与溶液中的均相电子转移过程中的ko与λ间的线性关系相比，电极上的ko与λ间出现一个新的反转行为，该反转行为已从实验中被观察到。从该反转行为出发，结合电极界面的电双层模型，得到ko与反应物浓度间的关系，该结果很好的预测了ko与反应物浓度间的各种关系，而该预测可以从理论上解释在常规脉冲实验中得到的结果。