燃料电池作为一种将化学能转换为电能的新型能源技术，能够减少化石燃料的排放、降低噪音和振动，具有能源损耗少、能源利用效率高的优势，有广泛的应用前景。与普通电池不同的是，燃料电池可以通过燃料的快速填充从而连续提供稳定的电力。
根据温度以及电解质的不同分为五种不同类型的燃料电池，即质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。
AFC 是基于液态 KOH 作为电解质，在低于冰点到200 ℃以上的温度范围内具有高电导率的燃料电池。由于其阴极还原反应的过极化率低，可用贵金属和金属氧化物作为电催化剂。AFC 的一个缺点是燃料或空气中的 CO2 与 KOH 反应生成 K2CO3，从而导致电极孔堵塞，降低电池性能。
PAFC 的操作温度为 150~220 ℃。浓缩磷酸在该温度下具有热稳定性，阴极和阳极均采用以碳黑为载体的 Pt 基材料作为催化剂。由于铂表面会吸附磷酸，导致阴极氧还原反应的动力学下降。
MCFC 是一种工作温度在 600 ℃以上的高温燃料电池。电解质由悬浮在多孔陶瓷基体中的熔融碳酸盐混合物组成，其阳极和阴极电催化剂分别为 Ni 和NiO 非贵金属材料。MCFC 的缺点是操作温度过高，加速了元件的腐蚀，从而严重限制了工艺的耐久性。
SOFC 的工作温度一般在 700 到 1000 ℃之间。氧化物离子导电陶瓷材料被用作电解液，SOFC 有着广泛的应用前景，例如，洁净电站、联合循环发电等。SOFC 的优点是具有较高的效率，其缺点是启动时间长以及陶瓷元件的热稳定性和相容性较差。
PEMFC 是一种能够将氢气和氧气催化反应生成水和电能的低温燃料电池（50-80 ℃），氢气在阳极通过催化作用转化成质子，并沿着质子交换膜传输到阴极，同时产生电子，利用从阳极侧输送过来的电子产生电能。PEMFC 具有高效、清洁和能量转换效率高等优点。
DMFC 作为高能量密度的替代动力源，属于 PEMFC 中的一类，即在阳极直接通入甲醇燃料替代氢气。由于其较高的转换效率和能量密度，且液态甲醇燃料易于存储、来源广和成本低等优点，DMFC 成为非常有前途的固定式和便携式的可持续能源转换存储设备。
DMFC 由质子交换膜、催化层、气体扩散层以及双极板构成，主要部件是膜电极组件（MEA），MEA由三层组成：多孔气体扩散层（GDL）、催化剂层和膜，电化学反应在MEA上发生产生电能。
DMFC 作为一种先进的清洁能源技术，具有许多优点和潜力：
（1）高转化效率，相较于其他类型的燃料电池，DMFC 具有更高的理论转化效率和能量输出；
（2）高能量密度，DMFC 具有高能量密度，可以在相对小体积内产生大量电能，为电动汽车等设备提供清洁、高效的动力系统；
（3）低排放，甲醇燃烧产生的废气为二氧化碳和水，无污染性的有害物质排放，对环境友好；
（4）便携式，无传统电池复杂的反应物供给和分离系统，DMFC 更加轻便、简洁，具有可携带性。
发生在 DMFC 阳极的甲醇氧化反应（MOR）的半电池反应为：
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e– E0=0.06 V vs. SHE
MOR 是一个缓慢、涉及将6个电子通过外电路传输至阴极产生电能以完全氧化甲醇产生二氧化碳的反应。MOR 是一个双路径反应过程，可分为 CO 路径和非 CO 路径 。
如上图所示， CO 路径包括两个连续的脱氢过程（CH2O*→CHO*→CO*），CO* 被羟基（OH*）转化为最终产物 CO2。非 CO 路径指通过 CHO* 与 OH* 的直接反应 生成最终产物 CO2（CHO*+OH*→HCOOH→HCOO→CO2）。
在单金属 Pt 催化剂中，由于 CO 路径的发生，复杂的中间体吸附在 Pt 表面，并在低电位下无法氧化去除，导致活性位点失活，抑制后续 MOR 反应进行。因此降低 Pt 与中间产种的吸附能是提高 MOR 性能的关键。
迄今为止，PtRu/C 双金属合金催化剂作为应用最广泛的MOR 催化剂，通过 Watanabe-Motoo 双功能机理可知，Ru 作为亲氧金属可在更低电位与水反应生成 OH*，OH* 在低电位氧化吸附在 Pt 活性位点的 COads，有效缓解 Pt 的 CO 中毒。
发生在 DMFC 阴极的氧还原反应（ORR）的半电池反应为：
3/2O2+6H++6e–→3H2O E0=+1.23 V
ORR 的完整反应是一个四电子反应，可通过两种机理途径发生：4e–途径和2e–途径。
如图所示，4e– 途径为一个氧分子与四个质子以及四个电子反应生成 2 个水分子，4e– 途径中 O-O 键断裂直接生成水，具有较高的反应效率。
O2+4H++4e–→2H2O E0=+1.23 V
2e– 途径一个氧分子和两个质子以及两个电子反应生成过氧化氢（H2O2），H2O2 与两个质子以及两个电子反应生成 2 个水分子。2e– 途径是一个复杂的多电子反应过程，导致 ORR 反应效率低，产生的 H2O2 对催化材料有毒化作用，进一步降低 ORR 的反应动力学。
O2+2H++2e–→H2O2 E0=+0.695 V
H2O2+ 2H++ 2e–→2H2O E0=+1.78 V
由于 ORR 反应涉及多个基元反应步骤，从而可能产生多种中间产物（H2O2、OOH*、O*和 OH*等），导致 ORR 存在动力学缓慢（10-6~10-7 mA/cm2）的问题。
DMFC 总反应为：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O E0=+1.231 V
阳极 MOR 动力学缓慢严重制约 DMFC 的商业化进程。目前，PtRu 催化剂是 DMFC 阳极催化剂研究中的主流，但其仍然面临成本高、活性及稳定性有待提高等问题，为了进一步提高阳极催化剂的活性和稳定性并降低催化剂成本，研究人员开发合成了多种类型的阳极催化剂。
铂-过渡金属催化剂因其具有优异的催化性能而备受关注，尤其是在甲醇氧化反应中的应用。与铂单金属催化剂相比，铂与过渡金属合金化可以修饰铂的电子结构从而提高甲醇氧化活性，有效减少甲醇氧化过程中的副反应的发生。较为常见的铂-过渡金属合金催化剂包括 PtCo、PtFe 、PtNi 和 PtCu 等，这些催化剂具有优异的电催化性能、良好的稳定性和较低的成本，符合实际应用的需求。
贵金属因其在酸性环境中具有抗氧化性和稳定性强的优势，被广泛应用为酸性介质中的催化剂。目前研究人员开发了 Pt-Pd、Pt-Au 、Pt-Rh 和 Pt-Ru 等贵金属合金催化剂。
通过 Pt 与贵金属的协同、合金作用提高合金催化剂的活性和稳定性并降低 Pt 的载量。与铂–过渡金属合金催化剂相比，铂-贵金属合金催化剂在酸性介质中可有效避免溶解。
研究证明，PtRu/C 被认为是具有最优异的 MOR 活性、最先进的DMFC阳极催化剂，这归因于 PtRu 双功能机制以及配位效应。基于ATR- FTIRS 结果，研究人员提出了 PtRu 合金提高 MOR 活性的机制，如图所示，金属 Ru 在低电位下与水反应生成 OH*，OH*可氧化吸附在 Pt 活性位点的 COads，有效缓解 Pt 的 CO 中毒。
当电位保持在 100 mV 左右时，甲醇主要在 Pt 位点脱氢生成 CO，CO 吸附在 Pt 活性位点上：
在同一电位区间内，水分子吸附在 Ru 位点上，形成 OH2–：
在约 400 mV 电位时，吸附的水分子放电形成 Ru-OH*：
Ru-OH*可以迅速氧化吸附在 Pt 表面的 COad 为 CO2：
Pt-CO + Ru-OH*→Pt+Ru+CO2+H++e–
PtRu 催化剂作为 MOR 应用最广泛的催化剂，面临 CO 毒化、成本高昂以及活性稳定性有待提高的挑战。目前研究人员针对这一问题，合成一系列PtRu基三元甚至四元合金催化剂替代 PtRu/C 来提高 MOR 活性和稳定性，如PtRuMo 、PtRuNi 、PtRuCo 、PtRuFe 、PtRuCoW 和 PtPdRuTe 等。
碳纳米管上 PtRuCox-450 颗粒的 HAADF-STEM-EDS 映射图像
由于双功能机制和不同金属添加的协同效应引起的配体效应，PtRu 基三元合金在活性、稳定性和耐 CO 毒化能力方面比相应的二元合金表现出显著的增强。
Pt/C 催化剂是应用最广泛的 ORR 催化剂，基于密度泛函理论（DFT）研究表明，催化剂表面与 O*、OH* 等中间物种之间的结合能在 ORR 中起着重要作用。
通过萨巴蒂尔（Sabatier）原理可知：理想金属催化剂应在反应中间体与其表面之间表现出最佳的结合能，即 O*、OH* 等中间体与催化剂的吸附强度不太弱也不太强时，表现出最强的催化活性。这是由于过强的吸附能使中间体占据催化剂表面不易脱附，而过弱的吸附使反应物倾向于脱附使催化活性不高。
ORR 活性随氧结合能的变化趋势图
氧结合能与 ORR 活性的关系如图所示，在该区域左侧分支的金属，与氧中间体结合过强，其作用速率受限于从活性位点去除产物，从而导致催化剂中毒。对于区域右侧与氧中间体结合太弱的金属，反应速率将受到氧在活性中心上的吸附的限制，在这些活性金属中，Pt 最接近火山峰的最佳值。
目前 Pt/C 催化剂存在低活性、稳定性不足的问题，在电池工况下，Pt/C 通常会发生结构变形和非晶化，导致电催化活性逐渐衰减。
（1）磷酸毒化：磷酸在反应与铂催化剂表面形成化学吸附物，覆盖了催化剂表面可供反应的活性位点，从而降低或失去催化剂的催化活性，磷酸毒化引起催化剂的结构和表面特性的改变，加剧催化剂的失效或降解；
（2）奥斯特瓦尔德熟化：细小的 Pt 纳米颗粒通过扩散在晶体表面生长，并吞噬周围更小的 Pt 颗粒，Pt 颗粒尺寸的增大导致催化活性比表面积的下降进而降低催化活性；
（3）Pt 颗粒脱落：Pt 纳米颗粒和碳载体之间的弱界面结合导致 Pt 纳米颗粒脱离导致性能下降，从而大幅度降低催化剂的活性；
（4）碳腐蚀：电位循环导致碳载体表面上的物种失去或获得电子，从而导致其结构和性质的改变，同时还会引发部分自由基反应，进一步影响碳载体的形态和活性；
（5）Pt 颗粒团聚，Pt 纳米颗粒在碳表面碰撞导致 Pt 颗粒团聚；
（6）Pt 颗粒溶解，导致活性位点数量大幅度下降。
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