直接甲醇燃料电池（DMFC）具有能量密度高、体积小、洁净环保等特点,有希望应用于便携式移动电源和小型电动汽车,因而受到广泛关注。针对直接甲醇燃料电池成本高、寿命短的问题,本论文主要从三维石墨烯基载体和特殊结构石墨化催化剂等方面开展系统的研究工作。采用一步溶剂热法合成铂/石墨烯气凝胶（Pt/GA）催化剂,催化剂呈现三维相互连通的石墨烯骨架结构,枝晶状的Pt纳米粒子分散在石墨烯骨架表面。相比于二维石墨烯担载Pt催化剂,Pt/GA催化剂表现出更高的甲醇氧化活性和稳定性。采用水热法合成了Pt/C/GA复合催化剂,由于石墨烯气凝胶的独特骨架结构,催化剂在活性不变的前提下稳定性得到了大幅提升。在1000圈的循环伏安老化测试之后,Pt/C催化剂的活性下降了40%,而Pt/C/GA催化剂的活性只下降了16%。更重要的是,这种方法可以扩展到其他担载型Pt基催化剂,以提升其稳定性。以GO为前驱体、尿素为氮源、聚氨酯泡沫塑料为模板,采用简单的浸渍涂覆方法合成了三维氮掺杂石墨烯（3D-NG）,聚氨酯泡沫塑料模板的加入可以有效地抑制石墨烯在高温退火过程中的团聚。以3D-NG为载体采用微波辅助乙二醇法合成Pt/3D-NG催化剂。由于催化剂的大比表面积、高孔容、高氮掺杂量以及Pt纳米粒子的高度分散性,Pt/3D-NG催化剂对甲醇氧化的质量活性是以直接热还原法合成的石墨烯为载体的Pt/G催化剂的2.3倍,并且稳定性提高了12%。GO与尿素的比例对制备的Pt/3D-NG催化剂的催化性能有着显著的影响,研究表明GO与尿素的最佳质量比例为1:10。以Fe₂O₃为硬模板、聚吡咯为氮源,采用水热自组装、热处理以及去模板相结合的方法制备了三维石墨烯气凝胶（3D-NGA）,Fe Cl₃既作为氧化剂引发吡咯聚合生成聚吡咯,又作为Fe₂O₃的前躯体。Fe₂O₃作为“阻隔剂”,有效缓解了退火过程中石墨烯的不可逆团聚。电化学测试表明,Pt/3D-NGA催化剂具有较高的电化学活性面积,催化甲醇氧化的活性是Pt/G催化剂的4.39倍,经过1000圈的加速老化测试之后,Pt/3D-NGA催化剂的稳定性比Pt/G提高了35%。催化剂性能的提升主要归因于:三维多孔石墨烯有利于物质的扩散传输;石墨烯网络相互交联保证了电子的高速传导;氮元素的掺杂有利于增加Pt的分散性,并且通过金属-载体间的相互作用,抑制了Pt纳米粒子的溶解团聚。采用超分子聚合辅助的方法合成了氮掺杂石墨烯气凝胶（NGA）,由三聚氰胺与三聚氰酸自组装生成的三聚氰胺氰尿酸超分子对于三维石墨烯结构的构建起到关键作用。超分子材料作为“阻隔剂”抑制了石墨烯片层之间的聚集堆叠,还作为自牺牲造孔剂产生多孔结构,同时还作为氮源为石墨烯网络结构引入氮原子。电化学测试结果表明,NGA表现出优异的氧还原性能:遵循四电子反应路径、半波电位仅与商业Pt/C相差43 m V、具有更高的稳定性和抗甲醇毒化能力。除此之外,NGA还是优秀的催化剂载体,制备的Pt/NGA催化剂的甲醇氧化活性是商业Pt/C的1.5倍,稳定性提升了15%。以三聚氰胺氰尿酸超分子作为模板和氮源,采用水热和退火相结合的方法制备了中空氮掺杂石墨化碳管（h-NGCT）。扫描电镜结果表明催化剂呈现大口径、中空管状结构。煅烧温度对材料的结构、性能有显著影响,随着煅烧温度的升高,石墨化碳管的管壁变薄,但是氮含量逐渐降低。煅烧温度为900℃时,制备的催化剂h-NGCT-900具有最佳的氧还原性能。催化剂在碱性条件下具有和商业Pt/C接近的氧还原活性,而且在酸性和碱性条件下具有更佳的稳定性和抗甲醇毒化能力。以h-NGCT-900作为载体制备的Pt/h-NGCT催化剂的甲醇氧化活性和稳定性相比于商业Pt/C都有大幅提高。