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过渡金属大环化合物(卟啉、酞菁)由于具有高的共轭结构和化学稳定性,同时对分子氧表现出良好的电催化活性而被广泛用于燃料电池氧还原催化剂的研究。相对于卟啉,酞菁是具有8个氮原子的大环化合物,环本身形成一个具有18个π电子的大π体系,因而可以同各金属元素包括从碱金属到过渡重金属等配位。热解后的金属酞菁,特别是在燃料电池工作环境下具有更高的热稳定性。然而,目前文献报道中以研究Fe和Co为中心离子的酞菁类催化剂为主,而关于其他过渡金属,如以Ni、Cu、Zn为中心离子的酞菁类催化剂则很少涉及。本论文以过渡金属(Cu、Ni、Zn、Co)酞菁为前躯体,以碳黑(Vulcan-XC72R)为碳载体,选用溶剂分散结合热处理方法制备了纳米碳基过渡金属酞菁催化剂(MPc/C)。采用循环伏安(CV)和线性扫描(LSV)等电化学手段考察了催化剂制备条件以及电极制备条件,包括热处理温度、催化剂载量、Nafion含量以及双功能金属添加和介质对上述催化剂催化氧还原性能的影响；运用旋转圆盘电极技术(RDE)和塔菲尔(Tafel)斜率对上述催化剂的电极动力学以及催化机理进行了系统研究；同时结合X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TG-DTG)以及X射线光电子能谱(XPS)等物理光谱表征技术探讨了催化氧还原活性位点的结构和组成与催化活性之间的关系；最后将催化剂用于制备膜电极(MEA),进而组装成单电池,进行了H2/02燃料电池发电性能的初步测试研究,获得以下结果：(1)热处理能够明显提高MPc/C(M=Cu、Ni、Zn)催化剂的氧还原性能,特别是经过800℃处理的催化剂氧还原活性最高,并基本遵循800℃>700℃>900℃>600℃>未加热的规律。对于不同的活性中心金属而言,在碱性介质下CuPc/C表现出最佳的氧还原催化活性,起峰电位和半波电位分别达0.1和-0.05V。电极动力学研究表明,800℃处理的CuPc/C和NiPc/C催化氧还原的总电子转移数分别为3.6和2.9,表明O2在CuPc/C电极上的还原主要经历4e-过程还原成H20,而在NiPc/C电极上的还原则是经历4e-和2e-的混合过程还原成H20和H2O2。(2) XRD、TEM及SEM-EDS等物理光谱表征研究表明：热处理过程促使过渡金属酞菁催化剂颗粒的长大和团聚；当热处理温度达到800℃时,催化剂颗粒为30-50nm纳米,分散相对均匀。此时,可以观察到金属颗粒的析出,同时随热处理温度的升高,金属颗粒聚集度增大,导致活性位减少。TG分析结果表明中心金属离子Cu和Ni的存在能够起到延缓酞菁结构分解,增强催化剂稳定性的作用。XPS分析表明吡啶N和石墨N为催化剂的活性位中心,协同配位的中心金属离子Cu和Ni,即Cu-Nx-C和Ni-Nx-C结构在催化氧还原活性方面起着决定性的作用。(3)通过加入Fe、Co、No、V的金属无机盐考察了CoPc/C催化氧还原的金属掺杂效应,研究表明Fe的掺杂对CoPc/C催化氧还原具有明显的促进作用,并且当Fe含量为5%时,催化剂活性最佳,起峰电位和半波电位相对于纯CoPc/C催化剂分别提高了90和110mV。Tafel斜率表明CoPc-Fe/C催化氧还原的行为和Pt/C相类似。5%Fe掺杂后的催化剂在酸性及碱性介质中电子转移数分别为2.6和3.2,相对纯催化剂分别提高了0.6和0.4。XRD和TEM表征结果表明5%Fe掺杂有助于提高催化剂的分散性能,从而提高了活性位的利用率。XPS分析结果表明,除Co-Nx-C活性位外,Fe与边缘氮形成了Fe-Nx-C活性位。(4)酞菁类催化剂催化活性序列随着热处理温度的变化发生一定的变化。不同中心金属离子的酞菁催化剂对最佳温度的选择并不一致,当Co为中心金属时,最佳的热处理温度为600℃,而当Cu、Zn、Ni为中心金属时,最佳的热处理温度为800℃。(5)以Co、Cu、Zn和Ni为中心金属的纳米碳基酞菁为氧阴极催化剂,结合商业化碱性阴离子交换膜制备了MEA,成功进行了H2/O2单电池发电。结果表明以Co、Cu、Zn和Ni为中心金属的纳米碳基酞菁催化剂在室温下的最大发电功率密度分别为12.6、6.8、6.1和6.0mWcm-2,显示出该类催化剂作为碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)阴极催化剂的潜能。