微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种新型污水处理技术,能够在净化污水的同时将污水中的化学能转化为电能。阴极性能与成本是制约MFC发展的重要问题,开发廉价、高效的空气阴极催化剂是推动MFC实用化进程的关键因素。本论文以碳基材料为研究对象,在研究MFC空气阴极催化剂比表面积、电导率、表面官能团对产电性能影响的基础上,通过元素掺杂实现材料表界面调控,考察不同碳基材料的界面调控特性差异,提升产电能力,为未来碳基氧还原催化剂研究提供支撑。本论文首先以活性炭为界面调控目标材料,分别考察比表面积、表面活性官能团、电导率对氧还原催化性能的影响。基于球磨与粉碎技术制备不同粒径活性炭颗粒与超细活性炭,探究活性炭空气阴极催化性能随材料比表面积变化规律及原因,考察球磨法N元素掺杂对催化性能的影响,比较不同导电材料复合特性,开发活性炭与导电炭黑复合材料,提升催化剂电导率。确定高比表面积、高电导率、多活性位点为MFC碳基阴极催化剂的关键特性。本论文以高比表面积、高电导率的碳纳米管为界面调控目标材料,分别采用化学气相沉积法(CVD)与球磨法制备高性能氮掺杂碳纳米管,进一步考察掺杂方法对表面活性位点的影响。通过二次沉积的方法,实现对碳纳米管表面有效活性位点数量的调控,开发表面N元素富集的新型碳纳米管,实现碳纳米管表面活性位点全暴露,其MFC产电功率与未富集常规N掺杂碳纳米管相比提升54%。本论文以高比表面积、高电导率的石墨烯为界面调控目标材料,分别采用CVD与球磨法制备石墨烯,同时实现N元素掺杂。优化CVD制备氮掺杂石墨烯的过程参量,实现无粘结剂制备氮掺杂石墨烯空气阴极,石墨烯生长基底直接作为集电材料,无需刻蚀,极大降低阴极内阻。利用球磨法从石墨粉制备石墨烯,以吡咯为N源,实现单一种类N元素定向掺杂。本论文基于优化的球磨方法,对活性炭、碳纳米管、石墨烯三种典型碳基材料进行界面调控,分别探究Fe、Co元素掺杂,以及Fe-N、Co-N共掺杂对碳基材料的催化性能的影响,热处理过程中Fe/Co-N-C成键是提升碳材料表面活性位点的关键,比较活性炭、碳纳米管、石墨烯三种典型碳基材料在表面官能团掺杂过程中的差异,活性炭在球磨法中性能提升最高,获得最优MFC阴极催化剂AC-N-Fe-H最大功率密度达到2390 mW/m~2。