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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）作为一种集污水处理与能源回收为一体的创新型技术,有望缓解能源危机以及环境污染问题。阴极材料的氧还原性能是限制MFC产电效率的关键因素之一,寻找新型阴极氧还原催化剂是当前的研究热点,对于推动MFC实用化和扩大化具有重要意义。本研究以掺杂碳纳米氧还原催化剂为研究对象,制备了铁氮掺杂碳纳米管/颗粒复合物、掺氮石墨烯、生物质自掺杂介孔纳米碳三种新型氧还原催化剂,分析了产物特性、电化学性质,并采用MFC反应器验证了氧还原效果。主要结果如下:（1）采用化学气相沉积法合成了铁氮掺杂碳纳米管/颗粒复合物FeNCB（碳源前驱物为黑珍珠2000）和FeNCC（碳源前驱物为乙炔炭黑）,并表征分析了产物特性、电化学性质和反应器氧还原效果。TEM、XPS、XRD、Raman分析表明,FeNCB复合物中碳纳米管直径更小,吡啶氮和石墨氮的比例相对较高,其碳管结构由于掺杂被破坏,有更多供氧吸附的结构缺陷位点。CV和RRDE分析显示,FeNCB的氧化还原峰电势大于FeNCC和Pt/C（20%）,为近4电子转移途经（3.77～3.97）。MFC运行结果显示,MFC-FeNCB的最大功率密度达到1212.8 mW·m-2,优于MFC-Pt/C（20%）,且为MFC-FeNCC的3.4倍。FeNCB的原料成本为5.76 $.g-1,产率高达到34.36%。这表明FeNCB可作为MFC扩大化的新选择。（2）采用两步法合成了掺氮石墨烯NGs,分析了产物特性和电化学性能。TEM、XRD、Raman、XPS分析显示,制备的NGs为褶皱的薄纱状结构,其中NG9507.5/2.5/0.8（尿素、三聚氰胺及葡萄糖比例为7.5:2.5:0.8,退火温度为950℃）的层间距最大,ID/IG比值是最小（1.01）,吡啶氮和石墨氮含量最高。CV和RRDE分析表明,NG9507.5/2.5/0.8还原峰电势及电子转移数分别为0.01V和3.77～3.96,为类4电子转移途经,氧还原性能与Pt/C（20%）相当。MFC运行结果表明,MFC-NG9507.5/2.5/0.8的最大功率密度为598.0 mW·m-2。NG9507.5/2.5/0.8的原料成本仅为0.34 $·g-1,产率达到9.26%。因此,NG9507.5/2.5/0.8能实现MFC阴极高效、低成本高稳定性催化氧还原。（3）以鸡蛋为生物质碳源、g-C3N4为蓬松剂,采用一步法制备了生物质自掺杂介孔纳米碳催化剂EGCs。TEM、BET分析表明,EGCs为褶皱薄纱状,而对照（EC）为块状,EGCs的比表面积是EC的10～20倍。XPS分析显示,EGC1-10-2(g-C3N4与鸡蛋的质量比为1:1,升温速率为10℃·min-1,退火2 h)的石墨氮和吡啶氮比例最高（0.59）。电化学分析表明,EGC1-10-2的还原峰电势与Pt/C（20%）一致（0.12V）,其电子转移数（3.84～3.92）和也基本与Pt/C（20%）一致（3.84～3.95）,属于直接4电子转移过程。MFC-EGC1-10-2的最大功率密度为737.1 mW·m-2,高于MFC-Pt/C（20%）的704 mW·m-2。其原料成本仅为0.049 $·g-1,产率高达到20.26%。因此,EGC1-10-2具有低成本、高产率和高性能的特点,可作为MFC实用化和扩大化的潜在氧还原催化剂。