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质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被认为是二十一世纪最具有应用前景的清洁能源转换和存储装置。但其阴极氧还原反应需要很高的过电势，且反应过程中涉及到复杂的电子转移与中间产物的生成，使动力学过程受限，造成能量损失。目前最有效的阴极催化剂仍是Pt/C催化剂，但铂基催化剂资源短缺、价格昂贵、稳定性差等问题严重限制了质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用。针对上面的问题，研究可替代的非贵金属阴极催化剂，在不使用铂催化剂的条件下提高燃料电池效率，无疑具有重要意义。 由于资源丰富，成本低，导电性良好，金属/碳复合电催化剂被认为是最有望代替铂基催化剂的材料之一。但其性能与Pt/C相比还具有一定的差距，尤其是在酸性介质中的性能。另外由于其活性作用位点不明确，催化剂的合理设计和构建面临困难。基于此，本文以铁基金属/碳复合材料体系为研究对象，通过构建孔结构、引入活性位点等方法优化结构和组成以获得高效氧还原催化剂，并探讨结构组分和催化活性的关系，揭示铁/碳催化剂的活性位点，为进一步开发非贵金属催化剂提供实验及理论基础。本文的主要研究内容和结论如下: 1、囊泡状铁/碳复合电催化剂的制备及活性位点探讨:以金属有机络合自组装法制备前驱体，通过一步热解法制备氮掺杂的囊泡状铁/碳复合催化剂。在催化剂中成功引入Fe-Nx和Fe3C@NC两种活性位点，并原位构建介孔结构。通过调节热处理温度来调控催化剂的形貌、金属颗粒含量及比表面积大小，得到性能最优的ORR催化剂，在碱性介质中的性能优于Pt/C，在酸性介质中也表现出较好的催化活性和稳定性。其次，我们借助简单的化学方法对Fe-Nx和Fe3C@NC两种活性位点进行有效控制，成功探究了两者在酸碱不同介质中的催化活性贡献，结果表明在碱性介质中，Fe3C@NC可贡献大部分活性，而在酸性介质中，Fe-Nx为不可或缺的活性位点。 2、酸性介质中高效铁/碳复合催化剂的构建:以提高金属/碳复合催化剂在酸性介质中的活性为目的，基于前一部分的研究结论，选用高含氮量的有机物为氮源和碳源，在催化剂中引入大量Fe-Nx活性位点，通过简单的热解法成功构建了铁/碳复合氧还原电催化剂。通过调控氮源与铁盐的比例来优化催化剂组成和结构，得到酸性介质中具有高活性的铁/碳复合催化剂，与Pt/C催化剂的催化活性十分接近。在此基础上探究催化剂的组成与性能的关系，进一步证明了Fe-Nx活性位点在提高铁/碳催化剂的活性上所起的决定性作用。这为设计酸性介质中高活性催化剂提供新的思路。 3、氮掺杂对铁/碳催化剂的活性影响:铁/碳材料体系的复杂多相结构使催化活性位点的研究变得十分复杂，因此，我们选用不含氮小分子为碳源，与铁盐络合并热解，成功构建了不含氮的催化剂模型。通过氨气热处理方式对催化剂进行后期氮掺杂，并通过调节热处理温度来调控氮的掺杂量，探究不同氮掺量与性能之间的关系。研究结果表明痕量的氮掺杂可以大大提高催化剂的活性，但催化活性与掺氮量并不成正相关关系。