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质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs)又可称为高分子电解质燃料电池或固态高分子电解质燃料电池。由质子交换膜、阴极和阳极所组成的组件称之为膜电极组体。低温型的质子交换膜燃料电池是目前认为最有希望对于减少碳排放和石油的使用的新能源技术之一。质子交换膜燃料电池具有如下优点:其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高;发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。 目前，PEMFC所用的催化剂无论是阴极还是阳极催化剂，均是以铂系金属为主的贵金属催化剂，然而，铂价格昂贵且资源稀少。为了追求燃料电池的大规模商业化，已提出以下两种方法:1）提高铂的利用率，降低载量;2）利用非贵重材料完全替换铂。后者被认为是解决铂高成本问题的长远方法。 本论文开发了一类纳米结构的非贵金属过渡氧化物(MTMOs)应用于质子交换膜燃料电池。过渡金属氧化物(MTMOs)指定为AxB3-xO4[A，B=钴，镍，锌，锰，铁等]，它们以化学计量或非化学计量组合，是典型的尖晶石结构。对此，我们将设计纳米晶和纳米多孔材料，通过调控其粒径、孔结构、比表面积、组份及分散度，从而达到高活性，高选择性和高稳定性。催化剂的独特性表现在:(i)超高的比表面积，(ii)可调控的电子性质以及结构协同效应，(iii)可调控的缺陷位，(iv)优异的热稳定性和水热稳定性，(v)超高的分散性。上述设计在调控催化剂的独特性质方面具有很大的优势。 超声作为一种加速反应的重要的手段被广泛应用于纳米材料的合成研究中。采用这种方式进行能量的传递，不仅仅不需要采用溶剂，而且具有高的选择性，使得其在绿色化学的发展中具有无限的潜力。本论文采用超声-水热相结合的方式实现了目标。在超声合成过程中，主要的能源转化机制是超声空化，即液体中气泡的形成、生长、破裂过程。这种空化效应可以提供极高的温度(～5000 K)和压力(～1000 Pa)。当气泡破裂时，可以产生压力高达60 Kpa和～4000m/s速度的冲击波，从而实现催化剂表面缺陷位的产生。这种方法在合成高比表面积和缺陷位的催化材料方面具有非常重要的作用。 我们合成了三种具有较好ORR催化活性的非铂催化剂。通过筛选前驱体，并优化合成方法，从而提高催化剂的ORR活性。具体工作如下: 首先，利用超声诱导水热合成法制备一种层状CoFe2O4/NG纳米结构材料，并将之用于ORR。利用挥发性有机金属化合物超声分解获得具有高比表面积的纳米级催化剂颗粒。相同载量下，CoFe2O4/NG催化剂的塔菲尔斜率与商业Pt/C（20 wt％ Pt on Vulcan XC-72，Johnson Matthey）相当。CoFe2O4/NG催化剂的ORR过程属于4电子反应路径。研究发现，CoFe2O4/NG具有很高的催化活性和稳定性，这归功于CoFe2O4纳米颗粒与氮掺杂石墨烯强的耦合作用以及层状CoFe2O4材料的高比表面积(104 m2·g-1)。这种耦合作用为ORR提供了活性位，高的表面积使得材料具有更好的分散性和更高的活性位密度。 其次，利用一种新颖的超声化学合成法制备三维纳米立方体结构的MnCo2O4催化剂。其中，三嵌段共聚物Pluronic-F127模板作为结构导向剂，Co的水溶液与丙酮被用来降低反应时间并获得较高的表面积，使用水/丙酮混合体系反应时间减少了70％。在室温下超声处理3小时后，用5％丙酮作为溶剂得到了纳米立方体结构的催化剂。反应时间、温度、和丙酮浓度是合成3D纳米立方体结构最重要的参数。通过X射线衍射(XRD)，氮气吸附，扫描电子显微镜(SEM，HR-TEM)等手段对上述方法合成的催化材料进行表征，发现MnCo2O4具有尖晶石型结构。与20％的商业铂碳(Pt/C)相比，MnCo2O4催化剂显示出相当的ORR活性。 最后，直接利用超声法，在不添加任何模版的情况下制得一维Co掺杂α-MnO2纳米线，并且探讨了其作为质子交换膜燃料电池的应用前景ORR活性。 总的来说，本工作采用超声技术分别制备了一维、二维和三维的催化剂样品，并采用不同的方法来改善催化剂的ORR活性。超声是一种被广泛用于制备高性能高效燃料电池电催化剂和其他材料的绿色方法，具有良好的应用前景。改变合成方法可调控催化剂的催化性能，对每种特定催化剂又可以通过调节参数来改善催化剂的ORR活性。今后，我们还将进一步深入了解和研究纳米结构的MTMO电催化剂，以期制备出具有高活性、高稳定性和低成本的非铂催化剂。