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随着能源短缺和水污染日益严重,寻求可持续的绿色能源技术是当前首要课题。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是利用产电微生物的催化作用将污水中有机物存储的化学能直接转变为电能的新型电化学系统,已成为本世纪环保与能源领域研究的热点。然而,MFC的阴极氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）动力学非常缓慢,阴极ORR催化剂的性能是制约燃料电池能量转换效率和输出功率的关键因素。目前使用的MFC传统阴极贵金属催化剂（如Pt基催化剂）资源短缺、价格昂贵以及稳定性差,限制了MFC大规模的应用。因此,设计开发活性高、稳定好,且低成本的非贵金属催化剂替代传统贵金属催化剂,是该领域研究的热点。目前,研究较多的非贵金属催化剂主要有Co、Ni、Fe等,但其活性和稳定性还有待进一步提高,以满足工业化应用的要求。针对以上问题,本文致力于研究廉价、具有优异ORR性能以及良好的稳定性的非贵金属钴基催化剂,系统研究其ORR性能及其产电性能,为加速MFC大规模工业化应用奠定技术支持。具体研究内容如下:1.以Li Cl为扩孔剂,利用KCl将三维MOF结构剥离为二维层状结构,氮气条件下盐融法热解金属有机框架Co0.5-Zn0.5-ZIF法制备Co、N共掺杂的多孔石墨烯Co/N-Go-T催化剂,结果表明:（1）在三维MOF转为二维结构的过程中,KCl将三维MOF结构剥离为二维层状结构,Li Cl起着扩孔的作用;（2）随着热解温度的升高,对ORR电催化活性起决定作用的Grap-N以及Pyri-N含量呈现先增高再降低的趋势并且Co-Nx的产生有利于阴极ORR催化活性的提升;800oC热解产物具有较高的石墨化程度和石墨缺陷,有利于ORR过程中的电荷转移。（3）Co0.5-Zn0.5/N-Go-800-MFC获得了0.62±0.05V的负载电压以及接近于Pt/C催化剂的最大功率密度（0.97±0.04W·m-2）并且在污水的净化实验中得到了95.95±0.9%的平均COD去除率以及34.66±0.7%的库伦效率。2.在碱性条件下使盐酸多巴胺在Si O2微球表面自聚产生形成薄层后,在其表面生长ZIF-67层获得多层球形前驱体,再经热解-刻蚀-浸渍-热解法制备了少量镍修饰的中空核壳结构H-N-C@Co/N-C-3%Ni催化剂,结果表明:（1）在引入多巴胺后的热解碳化产物具有更多的石墨态N以及吡啶态N且具有更高的石墨碳化以及石墨缺陷,促进催化剂的ORR过程。（2）H-N-C@Co/N-C-n%Ni催化剂均在~1.42?出现了窄且尖锐的吸收峰,说明催化剂中的Co元素按照Co-N连接路径,并且催化剂均在~2.15?出现了归属于Ni-Ni连接方式的吸收峰,说明催化剂中的Ni元素是以镍单质形式存在。（3）Ni单质的引入制备得到的H-N-C@Co/N-C-3%Ni催化剂的电流保持率达到了96.31%,比H-N-C@Co/N-C催化剂的电流保持率高出了将近10%,说明Ni单质的引入可以有效地提高催化剂的长时间运行的循环稳定性。（4）H-N-C@Co/N-C-3%Ni-MFC获得了0.65±0.01V的负载电压以及接近于Pt/C催化剂的最大功率密度（1.17±0.01W·m-2）,且在污水清洁处理的实验中获得了96.52±0.1%的COD去除率以及34.82±0.2%的库伦效率。3.利用MOF碎片经过水热处理自组装合成了尺寸可控的球形双金属MOF的方法,并以三聚氰胺作为氮源采用上下游高温热解方式制备了多层中空的Co-Ni合金、N共掺杂的碳球催化剂（S-Co-Ni/N-C-T）,结果表明:（1）叶片状的双金属有机框架在结构调节剂SDS、F127以及CTAB的作用下水热反应均可以得到球状的S-Co-Ni-PTA-MOF。（2）采用三聚氰胺作为氮源在850oC热解3h可以获得的S-Co-Ni/N-C-850催化剂活性位点中的Pyri-N以及Graph-N的总含量最高,可以有效地提高ORR活性。（3）S-Co-Ni/N-C-T催化剂均在~1.42?出现了归属于Co-N连接路径的吸收峰,并且催化剂均在~2.22?出现了Co-Ni合金的吸收峰。（4）S-Co-Ni/N-C-850催化剂中的Co-Ni合金效应显著地提高了催化剂的稳定性,在测试450000s后的电流保持率达到了96.2%。（4）S-Co-Ni/N-C-850-MFC获得了0.63±0.03V的负载电压以及接近于Pt/C催化剂的最大功率密度（1.04±0.04W·m-2）,且在污水清洁处理的实验中获得了96.52±1.3%的COD去除率以及34.42±0.8%的库伦效率。4.以乙酰丙酮镍（II）和乙酰丙酮钴（II）为金属源,以尿素为结构导向调节剂,水合肼为还原剂,采用离子共还原沉淀法制备了尺寸均一的中空纳米立方体Co Ni合金催化剂,结果表明:（1）由于没能形成弱碱溶液体系,使用了CTAB以及PVP代替尿素作为结构调节剂不能制备出纳米立方体结构的Cox Niy合金。（2）Cox Niy HANCs催化剂均在Co以及Ni K-边的X射线吸收近边结构谱均在~2.22?以及~2.21?出现了宽阔的吸收峰,归属Co-Ni合金的吸收峰。（3）Co2Ni2HANCs催化剂中有着极为突出的ORR稳定性,在测试450000s后的电流保持率达到了95.21%。（4）Co2Ni2 HANCs-MFC获得了0.63±0.01V的平均负载电压以及接近于Pt/C催化剂获得的最大功率密度（1.03±0.01W·m-2）,且在污水清洁处理的实验中获得了96.27±1.2%的COD去除率以及34.58±1.1%的库伦效率。