微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）作为一种环境友好型生物技术,能够直接将污水中有机污染物所蕴含的化学能转化为电能,集产生电能和净化污水为一体,克服能源短缺和水污染问题而引起人们的广泛关注和研究。作为一种创新性的、具有广阔应用前景的低能耗污水生物处理技术,在保护环境和开发利用新能源的时代推动下,它已成为现阶段能源和环境方面的热门研究课题。其阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）作为限制MFC产电性能的一个重要因素,受到了很大关注。碳材料催化剂凭借其成本方面的优越性,进一步通过改性显著提升其ORR催化性能,成为目前的研究热点。首先,以廉价的三聚氰胺为掺氮前体,对价格低廉的活性炭（AC）进行高温热解掺氮。经优化得出最佳掺氮条件为三聚氰胺和活性炭的质量比（N/C）为10,热解温度为900 ^oC。为了明确不同制备条件下材料结构和活性氮含量对ORR活性的影响,进行了一系列的表征（扫描电子显微镜测试、N₂吸附脱附曲线测试、X射线光电子能谱测试和旋转圆盘电极测试）。发现高吡啶氮含量对ORR催化活性有很好促进作用。证实AC-N10-900是一种以为4e^–机制为主的ORR催化剂,其在电化学测试和微生物燃料电池测试中性能均比AC和Pt/C优越。能达到的最大功率密度为1042±35 mW m^–2,分别比AC和Pt/C提升了65.4%和116.2%。其次,通过采用一锅无模板水热法合成了掺氮碳气凝胶（CA）,并后续通过KOH活化法对其进行化学活化。结果显示KOH活化显著增大了BET比表面积、优化了孔隙结构且改变了活性氮和含氧官能团（C-O-C和COOH）含量。随着KOH活化量的增加,吡啶氮含量逐渐增加而吡咯氮含量逐渐降低。研究进一步证实,ORR活性与吡啶氮含量之间呈现线性正相关关系,但是却随着吡咯氮含量的增加而降低。经KOH活化后,C-O-C和COOH这两种含氧官能团的含量较CA有所增加,但是随着KOH活化量的增加而呈现逐渐降低趋势。而CA-KOH各催化剂材料C-O-C和COOH含量降低不利于副反应H₂O₂产生,从而保证MFC具有较高的转化效率。当KOH和CA的质量比（KOH/CA）为10时,CA-10KOH具有最优的MFC性能。其最大功率密度为967±34 mW m^–2,分别比Pt/C、AC(BET比表面积为2276 m² g^–1)和CA提升了37.4%、55.2%和283.7%。同样,其COD去除效果也是最高（86.9±1.8%）,分别比AC、Pt/C和CA提升了15.1%、19.9%和9.8%。CA-10KOH优越的ORR催化性能是其较大BET比表面积(1827m² g^–1)、较多微孔数量、最高吡啶氮含量（0.26 at.%）、最低吡咯氮含量、降低的C-O-C和COOH含量之间综合作用的结果。AC-N10-900和CA-10KOH作为低成本的非金属MFC阴极ORR催化剂,极有希望实际应用于MFCs。