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微生物燃料电池(MFCs)是一种能将废水中有机物的能量直接输出的绿色生物技术,它作为一种生物电化学系统吸引了很多学者。限制MFCs大规模应用的一个重要的瓶颈是阴极氧还原反应(ORR)的迟缓。本文为提高MFCs的产电性能,提高阴极ORR效率,在其他实验条件一致的条件下,制备出高效、低成本的氮掺杂metal-free碳基材料,并对其性能表征。采用X射线衍射仪(XRD)、BET比表面积、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等方法进行表征分析,分析其原理并进行电化学性能测试。结果表明:(1)不同模板添加量条件下合成的氮掺杂metal-free介孔碳基材料(NMPGCs)的成分大体相同,比表面积和孔结构有很大的不同,NMPGC-0.5比表面积大,具有丰富的介孔结构,电化学活性较强,对不同模板添加量的NMPGCs材料进行循环伏安和线性扫描伏安测试,NMPGC-0.5都具有最大的电流密度,展现出最好的电化学活性。其电荷转移内阻最小,用作MFCs阴极长期运行稳定性最好,末期功率密度仅下降了 9.2%。且不添加任何金属,成本较低,环境友好。(2)以秸秆为碳源,三聚氰胺为氮源,制备的不同碳化温度(700-1050℃)下的氮掺杂生物质碳基材料NBPGCs样品中氮的含量和成分都大有不同,随着温度的升高,总的含氮量减少,但石墨氮和氧化氮的比例增加。样品的比表面积较大,具有多孔结构,氮掺杂进入碳的骨架中,形成氮缺陷结构,可以提供更多的活性位点,石墨化程度更高,导电性能更好。对不同碳化温度的NBPGCs材料进行循环伏安和线性扫描伏安测试,NBPGC-1000都具有最大的电流密度,展现出最好的电化学活性。RDE测试计算出NBPGC-1000的转移电子数为3.75,主要以4电子途径为主,其氧还原反应能量损失较少。NBPGC-1000为阴极的MFCs的输出电压最高(0.57V),功率密度最大(1122mWcm-2),且长期运行稳定性最好,末期功率密度仅下降了 10.2%,都比Pt/C的效果好。因此,本文制得的氮掺杂metal-free碳基材料可以应用在MFCs中,对MFCs的大规模应用有一定的价值。这种材料不仅性能良好,而且成本低,环境友好,为合成高效稳定ORR催化剂提供了新的参考。