化石燃料的日渐枯竭和环境问题的日益严重使得寻找新型的高效、清洁、可持续利用的能源成为当务之急。质子交换膜燃料电池可直接将小分子燃料(如氢气、甲醇、甲酸等)的化学能转化为电能从而成为一种高效可持续清洁能源,并具有广泛的应用前景。然而,燃料电池的发展现在受制于催化剂的发展。目前广泛使用的传统贵金属催化剂(比如Pt/C, PtRu/C)价格不菲,而这些催化剂较为滞后的催化动力学行为却使得燃料电池中催化剂的用量很高；同时,后处理方法的落后使得催化剂的纯化效率低下。以上因素使得催化剂的制备和使用成本大大升高,从而限制了燃料电池商业化进程。针对以上问题,本文致力于结构化合金催化剂的设计和可控制备以及高效后处理方法的建立和应用两方面研究。通过溶剂热共还原方法,本文可控制备了枝晶状Pt3Cu纳米三角锥帽,该枝晶具有独特的三维多孔空间网状结构。晶体结构分析证实此Pt3Cu三角锥帽是具有{111}晶面暴露的单晶型枝晶状结构。通过晶体生长动力学调控,同样可以制备出了具有{100}晶面暴露的单晶型枝晶状Pt3Cu纳米立方体结构。卤素离子I-通过与Pt、Cu金属前驱物配位从而能够改变二者的还原动力学,进而使得二者能够共还原形成合金结构。成核和生长阶段合金的形成会导致枝晶生长过程中孪晶界的产生,从而表现出枝晶的“Z”字形生长。“Z”字形凸起处存在能量升高的台阶原子从而能够在此处发生Pt2+和Cu0间的galvanic reaction,进而使得Pt在此富集并促进新枝的生长。这种基于金属前驱物共还原和galvanic reaction反应的生长机理能够将枝晶结构拓展到三元合金体系,并显示出优异的组成可调性。这种单晶型枝晶状二元和多元合金纳米晶由于具有三维多孔开放式空间结构和优异的内部电导通性,因而具有超高的电化学活性比表面积(ECSA)。而精确的晶体结构设计则赋予其优异的催化活性,所制备的Pt3Cu三角锥帽具有高出商业Pt/C催化剂3倍和7倍的甲醇氧化(MOR)与甲酸氧化(FAOR)性能,而Pt3Cu和PtCuNi则分别具有高出商用Pt/C催化剂高出5倍和近10倍的甲酸氧化(MOR)和氧还原(ORR)活性,证实了催化剂三维空间结构和晶体结构设计对催化性能提升的重要性。更为重要的是,通过对枝晶生长规律的揭示,使得具有特定晶体结构和空间结构的合金纳米晶的设计和制备成为可能,这将极大地促进以功能为导向的催化剂结构设计和制备方法的发展。然而,催化剂的实际使用效果不单单决定于其本征空间结构和晶体结构,其后处理过程同样会对其使用性能产生影响。针对传统离心分离后处理过程中收率低、能耗高、效率低的问题,本文建立了一步超纯化处理纳米催化剂的相界面离心分离方法。该相界面梯度离心方法可以一次去除大于99.99%的杂质同时实现颗粒产率>99.9%,展示出超高的纯化效率。该相界面梯度离心方法可在分离过程中实现浓度的调控,甚至可以将纳米颗粒溶液浓缩10000倍以上并几乎达到纳米颗粒最密堆积状态而不发生团聚,从而能够有效降低胶体合金纳米催化剂的储存和运输成本。同时,相界面梯度离心方法具有优异的尺寸选择性和形貌选择性,使其能够在去除小分子杂质的同时去除合成副产物,从而有望成为纳米催化剂理想的后处理手段。而基于"droplet sedimentation"的相界面离心机理的阐明和颗粒沉降的Logistic数学模型的建立则有助于分离体系的拓展和优化,使得各类纳米催化材料能够得到有效地分离、纯化。