质子交换膜燃料电池（PEMFCs）工作在强酸电化学环境下,其服役状态具有强腐蚀性,高电密性以及快传质三重反应特性。为达性能要求,电极上贵金属铂（Pt）用量普遍偏高,高成本问题与贵金属储量有限之间的矛盾使得研究人员格外关注高性能低铂电极的研发。针对低铂催化剂在低电流密度区活性低与耐久差现象、高电流密度区传质慢等关键实用难题,本论文提出了有效匹配协同催化的设计方案和催化剂控制制备的实施路线,开发了多组分协同的低铂氧还原（ORR）催化体系。并采用理论指导-模拟预期-实验检测-量化计算相结合的技术路线,依托先进表征手段深层次认知催化机理,阐明多组分间的协同机制。具体研究内容总结如下:1.稀土金属对Pt基合金催化剂活性与稳定性提升作用机制。（1）用于高效氧还原反应的超稳定Pt5La金属间化合物。与块状氧化物相比,“金属-有机骨架”结构中以单原子形式存在的稀土元素具有更高的化学势,从而使其有可能扩散到Pt上形成合金。本工作以此为设计思路,开发了稀土合金合成的简便方法,实现了稀土-铂金属间化合物的简便合成。Pt5La合金在电化学测试环境中具备高活性,实现了铂基合金催化剂稳定性的显著提升,解析了前过渡金属电子效应增强铂基催化剂稳定性的机理。（2）Pt2Gd合金中的自旋屏蔽效应揭示ORR活性提升起源。氧气还原成水的过程经历了自旋转换,这意味着本征自旋极化电催化剂可以通过自旋相关动力学降低动力学势垒,从而从根本上提高效率。然而将自旋参数引入铂合金以增强氧还原活性仍然具有挑战性。本工作中,我们通过原子分散的前驱体辅助合成方法成功地将Gd引入到Pt晶格中,合成了用于快速ORR动力学的本征自旋重构Pt2Gd金属间化合物。DFT计算揭示了 Gd位点引起的自旋屏蔽效应,不仅平衡了 Pt-5d的自旋极化,而且提高了 Pt位点的氧还原能力。（3）稀土-氧离子对促进Pt基合金电催化活性与稳定性提升。将Pt与第二种金属合金化可有效减少Pt金属用量,然而与前过渡金属合金最大的问题在于稳定性较差,本工作将稀土金属引入Pt3M合金晶格中,有效改变了 Pt3M合金对氧气的吸附行为,在三电极和燃料电池中都实现了活性和稳定性飞跃性的提升,并且将此掺杂策略在3d过渡金属合金（Pt3M,M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）中进行了拓展和验证。2.协同效应助力团簇型催化剂实现超低铂PEMFC高效表达。降低Pt负载不仅会降低整体ORR动力学,还会在高电流密度区域（HCD）中导致严重的传质问题。本工作中我们通过热力学自发自组装获得超细且均匀的Pt簇（1.3±0.4 nm）,负载在N、P掺杂碳纳米片催化剂上,超细Pt簇通过强金属-载体相互作用稳定并且实现了超高分散度,服役状态下Pt的原子利用率和电化学活性面积得到提升。组装的膜电极在H2/Air燃料电池中的高电流密度区表现出了低的电压损失和高的峰值功率密度,表明该超低铂燃料电池阴极在高电流密度区的有效传质空间被充分利用,证明了其在解决局域传质问题方面的显著优势。