微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)作为一种可以直接将化学能转化成电能的产能技术,具有废水处理同时产能的双重功效。然而,MFCs性能不高且有机污染物去除率较低是制约其实际应用的瓶颈,通过添加适当催化剂克服阴极氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)的高能垒是改善MFCs性能的重要方法之一。另外,大气中中CO2浓度日益剧增,其高效资源化和能源化是当前环境与能源领域的研究重点,CO2电化学还原(Carbon dioxide reduction reaction,CDRR)是实现其低能耗资源化的重要方法之一。而基于CO2自身“化学惰性”,高效电化学还原催化剂的研制是提升CO2还原效率的关键。已有研究表明,杂原子掺杂的碳纳米催化剂具备一定的ORR和CDRR催化还原性能,且性能稳定、制备便捷,是替代金属尤其是贵金属催化剂的重要选择。含氮生物质是唯一可提供含碳产品的可再生能源,其储量丰富且天然掺杂着N、P、S等杂原子,因而是制备杂原子原位掺杂碳纳米催化剂的理想原料。本论文首先以含氮量较低的紫花苜蓿叶子为原料制备碳基材料,并考察了不同化学活化剂对所形成材料结构和性能的影响。结果表明,KOH是一种较好的化学活化剂,在此活化剂活化下所制备的碳纳米片ALC-K结构优良、性能稳定,是高效的MFCs阴极氧还原催化剂。在应用于MFCs阴极时,最大输出功率密度约为1328.9 mW/m2,仅比Pt/C阴极催化剂的MFCs低9 mW/m2,然而其稳定性远优于贵金属Pt/C。其中,MFCs的性能与碳基材料中氮的含量,尤其是吡啶氮和石墨氮的含量关系密切。随后,以含氮量略高的生物质百香果内膜为原料制备碳基催化剂。线性伏安扫描发现,在制备和活化方法一致的情况下,以百香果内膜为原料成功制备的BXG-AC碳纳米片材料催化氧还原性能优异,其起始电位与Pt/C相当,而半波电位0.11 V远高于Pt/C的0.02 V,是一种可替代贵金属Pt/C的高效ORR催化剂。而在应用于MFCs阴极时,最大输出功率密度约为1153.3 mW/m2,略低于ALC-K阴极催化剂的MFCs,由此表明碳基材料的催化性能与氮含量并不呈正相关,究其原因,可能与两者之间较大的比表面积差异有关。鉴于紫花苜蓿及百香果内膜均是污染性较低的生物质,作者尝试以污染性较强、氮含量较高的猪粪污泥为原料,通过同样的制备和活化方法成功制备高氮含量原位掺杂的介孔碳基材料LSC-A,其比表面积与BXG-AC相近,但氮含量略高。结果证实LSC-A是一种性能优异的氧还原催化剂,在作为MFCs阴极时,MFCs 最大输出功率密度约为1273.3 mW/m2,高于BXG-AC阴极催化剂的MFCs。综上所述,以含氮生物质为原料可成功制备比表面积较大、催化性能优异的氮原子原位掺杂碳基材料催化剂,且其中比表面积和氮原子含量均是影响其催化活性的重要因素。另一方面,同样作为废弃生物质的电镀污泥和市政污泥,尤其是电镀污泥中丰富的过渡金属的存在,使得其处理相对困难。鉴于过渡金属在CO2电化学还原过程中的催化活性,以电镀污泥为原料通过直接高温热解制备多孔碳材料TES用于催化CO2电化学还原。研究结果表明,在以TES为阴极催化剂的生物电化学系统中(0.6V外接电压下),CO2被电化学还原成甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)、甲酸(AC)和乙酸(FC)等有机物,且还原速率分别为 42.6±0.6、29.5±0.2、35.4±0.5 mmol h-1·m-2 和 3.1±0.04、0.6±0.05 mg·L-1·h-1,其中起催化作用的主要是 Cu2O、NiO、Ni(OH)2、FeONi、C uNi、CuFeS和FexNiy等化合物。而以市政污泥为原料直接热解制备的碳材料催化性能不突出,但经耦合水热反应改性后制备的MSC-HA多孔碳,在去除过渡金属影响后仍具有较强的CO2电化学催化活性,且在外加电压为-1.3 V情况下催化性能最佳。进一步产物检测发现,在-1.3 V外加电压下,MSC-HA可实现催化CO2还原获得C2H5OH、CH3OH及CH4三种有机产物,浓度分别为100.16μg h-1 cm-2、32.15μg h-1 cm-2及14.88μg h-1 cm-2,总法拉第效率达54.16%,其主要催化活性位点为碳量子点/多孔碳非金属复合材料表面负载的碳量子点、吡啶氮以及P元素。随后分析发现,CO2电化学还原的可能途径为:一方面,CO2分子吸附电极表面形成CO2-自由基,随后,CO2-自由基被HCO3-离子质子化,最终生成CO、CH4或C2H4等有机物;另一方面,CO2-自由基自身发生结合生成-OOC-COO-基团,随后被质子化从而生成乙酸等。本研究以天然的含氮生物质为原料,采用温和便捷的热处理技术和经济低污染的活化剂制备高效稳定的碳基O2/CO2还原催化剂,具有成本低廉、污染物少、操作简单等特点,为制备高效、廉价的碳基O2/CO2电化学还原催化剂提供了新思路,同时为废弃生物质的资源化利用提供了一个新的方向。