直接甲醇燃料电池拥有能量密度高、燃料储存和运输方便等众多优点而受到人们广泛关注。目前，目前应用于直接甲醇燃料燃料电池的催化剂主要为Pt基催化剂。虽然它具有很高的催化活性和化学稳定性，但是贵金属天然的稀缺性、催化剂的高成本和有待提高的电化学稳定性等问题限制了燃料电池技术的商业化应用。因此提高阴阳两极催化剂电催化的活性，开发非贵金属催化剂以进一步降低电池成本和提高稳定性仍然是直接甲醇燃料电池研究的主要方向。针对这个问题，本论文进行了直接甲醇燃料电池低铂非铂催化材料的理性设计和可控制备的相关工作，主要研究内容如下:　　1.PtFe核Pt壳纳米枝晶催化剂的制备　　通过用NaBH4还原氯铂酸和葡萄糖酸亚铁溶液，我们开发了一种快速简单的PtFe双金属-Pt壳纳米枝晶催化剂的制备方法。由于在合成过程中没有使用任何表面活性剂，因此该催化剂表面为洁净的Pt结构。得益于催化剂的核壳结构和枝晶表面，该催化剂在催化甲醇电氧化反应中表现出优异的活性和稳定性。　　2.碳基催化剂载体材料的设计和合成　　(1)将N掺杂碳材料与TiO2有机结合，设计并合成了一种N掺杂碳包覆TiO2的复合型催化剂载体，通过在二氧化钛表面原位聚合一层吡咯后经过热解得到该载体材料。相比于商业Pt/C催化剂，该载体负载的催化剂表现出更佳的抗CO毒化能力和甲醇电氧化活性、稳定性。该活性的提高是由于载体材料中存在的丰富含氮物种，TiO2组分能提高Pt的抗CO毒化能力和电催化氧化甲醇的本征活性。因此该材料是一种非常有应用前景的催化剂载体。　　(2)我们通过在氧化石墨烯表面原位聚合吡咯再对其进行热解处理的方法，制备了N掺杂石墨烯/碳复合载体。该载体材料能有效地促进其负载的Pt对甲醇电催化氧化的能力。物理分析表明该载体材料不仅能促进Pt纳米粒子在其表面的分散同时还能产生助催化作用，从而提高整个催化剂的活性和稳定性。　　3.高效Pt基氧还原催化剂　　(1)通过牺牲模板发原位合成了催化剂组分和载体强耦联作用的Pt纳米管/N掺石墨烯氧还原催化剂。该催化剂在酸性介质中表现出优良的氧还原活性和稳定性。通过X-射线光电子能谱，透射电镜结合电化学表征对催化剂进行了详细研究，结果表明N掺石墨烯载体对Pt纳米管表面电子的修饰作用，和催化剂粒子与载体之间的强耦联作用是催化剂性能和稳定性提高的原因。该催化剂具备在质子交换膜燃料电池的应用的价值。　　(2)以氨基葡萄糖为还原剂和结构导向剂，我们开发了一种快速简便的制备Pt3M(111)二十面体纳米晶的方法。在合成的众多催化剂中具有表面相分离Pt壳结构的Pt3Ni(111)催化剂表现出优异的氧还原活性，其比活性和质量活性分别是商业Pt/C催化剂的32倍和12倍。除此之外，该催化剂在20，000圈的运行中表现出优异的稳定性。　　4.非贵金属氧还原催化剂的理性设计和可控制备　　(1)通过控制碳基底材料的表面官能团我们制备了一系列的N掺杂碳纳米管包覆Fe3C纳米粒子/碳非贵金氧还原催化剂，其中包覆的Fe3C纳米粒子是在热解过程中原位生成的。通过高温骤冷实验对催化剂生长机理和构效关系进行了深入研究，并提出了催化剂的生长机理。同时我们首次提出了基底碳黑的表面结构对形成N-CNTs结构起着至关重要的影响。态密度/局部功函的计算结合催化剂构效关系的研究揭示该催化剂中Fe在ORR中所起的作用，即Fe3C颗粒与碳层间的电子作用提升了表面碳层的氧还原活性。电化学测试表明该催化剂无论是在酸性还是碱性溶液中都具有优秀的氧还原活性和稳定性，达到了文献报导的先进水平。此外我们还在直接甲醇燃料电池中验证了该催化剂的活性和稳定性。　　(2)采用金属有机配合物为模板合成了N掺杂碳包覆超小过渡金属纳米粒子构成的具有三维纳米结构的非贵金属氧还原/氧析出双功能催化剂(TMs@NCx)。对催化剂结构的形成机理研究表明该结构的形成是由于金属有机配合物和三聚氰胺共同限域作用所致。其中以N掺杂碳包覆NiFe核的催化剂表现出最优的电催化活性，其起始氧还原电位为1.06 V，半波电位为0.86 V优于商业Pt/C催化剂。在氧析出方面，NiFe@NCx，的起始氧析出电位为1.46 V，电流密度达到10 mA cm-2的过电位为0.32V，优于商业IrO2的性能，此外我们还组装了锌-空气电池对催化剂在器件中的活性和稳定性进行了测试。　　(3)针对非金属氧还原催化剂活性位点密度低的问题我们对碳材料进行了N，S双掺杂处理，得到了催化剂具有大量活性位点的催化剂。电化学结果表明在原有的N掺杂碳中引入S组分(S-NCx)能显著提高催化剂对催化氧气直接经四电子途径还原成水的选择性，从而提高催化剂的稳定性。基于密度泛函理论的计算结果表明S的引入能降低O2(ads)氢化形成OOH(ads)的能垒，从而从根本上提高催化剂的活性。对催化剂性能和其所含的N，S物种之间的关系进行了深入研究，结果表明催化剂的活性受吡啶N和C-S-C的影响最大。此外我们制备N，P双掺杂非金属氧还原催化剂表现出了与M/N/C相媲美的ORR活性。