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迄今为止,直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极催化剂研究较多的是Pt/石墨烯基催化剂,但它在实际应用中仍还存在着许多问题:一方面,活性组分Pt价格昂贵,易受中间产物CO等毒化;另一方面,载体石墨烯理化性质稳定、存在表面惰性、不利于金属的负载,这些都制约着Pt/石墨烯基阳极催化剂在DMFC中的广泛实际应用。为了解决以上问题,本文以二维平面结构的石墨烯为基底材料,通过不同的方法构筑多孔立体结构的三维石墨烯(3D-GNs),使石墨烯优异的电-化学性能与三维多孔结构有机结合成为优异的载体材料。进一步在Pt/3D石墨烯催化剂中引入第三组分,优化催化剂活性组分和载体的整体性能,有效降低甲醇的氧化电位,为燃料电池的开发应用提供了新型复合催化剂材料。具体而言,本论文以多孔结构的三维石墨烯为载体,选用Vulcan XC-72R炭黑(简称XC-72R)、导电聚合物聚苯胺(PANI)及过渡金属铟(In)为第三组分,分别通过不同的方法制备了三种复合物催化剂。即冷凝回流结合液氮冷冻法合成了Pt/3D-GNs(C)复合物,一锅水热还原结合快速冷冻法合成了 Pt/3D-GNs(PANI)复合物,高温固相法合成了 PtIn/3D-GNs 复合物。用 SEM,TEM,XRD,XPS,ICP,Raman等表征手段对复合物的结构以及形貌进行了表征,用循环伏安法(CV),计时电流法(i-t),CO溶出伏安法和交流阻抗法(EIS)等电化学测试手段系统研究了复合物的电催化性能。研究结果表明,复合物 Pt/3D-GNs(C)(1),Pt/3D-GNs(PANI)(2)及 PtIn/3D-GNs(3)中载体石墨烯拥有明显的三维多孔结构。这三种复合物作为电催化剂对甲醇氧化的电催化性能都明显优于Johnson Matthey公司的商品化Pt/C-JM催化剂。(1)中,Vulcan XC-72R炭黑与3D石墨烯相结合使金属前驱体的吸附率增加进而为Pt粒子的负载提供了更多的附着位点,提高Pt纳米粒子的分散度;(2)中,导电高分子聚苯胺(PANI)显著影响Pt金属纳米粒子的形貌特征,在水热原位聚合得到的PANI的修饰下,Pt/3D-GNs(PANI)中的Pt粒径小,在石墨烯上分布均匀;(3)中,首次引入光敏性过渡金属铟(In)与Pt结合构筑二元金属电光协同催化剂,提升了复合催化剂对甲醇氧化的电催化性能和抗毒化能力,尤其在外部光源照射下,催化剂实现良好的电光协同催化效应。