微生物燃料电池（MFCs）可利用电活性微生物直接将贮存于废水污水中的化学能转化为电能，是兼具环境治理和产电产能多重功效的新一代能源产生设备。氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）是MFCs阴极至关重要的反应过程，在一定程度上决定了电池的能效。由于该反应须克服较高能垒，且反应速率慢，往往需要在高效催化剂参与下才能顺利进行。铂（Pt）及其合金催化剂能够以较低的过电位、较高的电流密度催化氧气还原为水，具有催化活性高、选择性好等优点，一直以来被视为理想的催化剂材料。然而高昂的价格、有限的自然储备以及在稳定性、抗干扰性等方面的不足，严重限制了其广泛应用，业已成为MFCs实现商业化应用的重要瓶颈。因此，研发新型、高效、稳定和低成本的非贵金属及非金属催化剂具有重要意义。研究表明杂原子掺杂的碳纳米催化剂具备良好的ORR催化活性，且性能稳定、制备便捷、成本低廉，被认为是替代商用Pt/C催化剂的重要选择。　　本论文以MFCs阴极催化剂为切入点，以富含杂原子（如N，S等）的天然生物质为前驱体，采用温和、便捷的热处理技术制备多种N/S掺杂的非金属碳基催化剂。通过分析物理结构与化学组成等特性探究该掺杂催化剂的形成过程，采用CV和LSV等电化学测试技术研究其氧还原催化性能以及MFCs实际运行效果。主要包括以下三方面：　　（1）广泛分布于陆地环境中的青苔含有大量的半纤维素、木质素、多糖及氨基酸等化合物，是一种富含氮元素的天然生物质。以青苔为前驱体，采用水热和碳化相结合的热处理技术制备了碳点（Carbon dots）原位负载的N掺杂多孔碳纳米催化剂。该材料表面含有大量微孔结构且附着碳纳米颗粒，其比表面积为420m2g-1。元素分析结果显示，该碳材料主要含有C、N、O等元素，其中N元素包含吡啶型、吡咯型、石墨型及氧化态等多种形式。CV和LSV测试表明其在O2饱和的0.1mol/L KOH溶液中起始电位为0.935（V vs.RHE），与商用Pt/C（10％）仅差27mV，表现出良好的氧还原催化性能。另外，在稳定性及抗干扰性能方面该催化剂颇具优势，在MFCs实际运用过程中其最大功率密度约为720mW/m2，稍高于商用Pt/C催化剂，表现出十分良好的实际催化效果。　　（2）蚕丝是广泛使用的纺织材料，是一种氨基酸含量丰富的丝状纤维材料。以蚕丝为碳前驱体，结合化学活化法，采用程序升温热处理技术制备了N原子掺杂的多孔碳纤维催化剂。该催化剂直径约10μm，其表面含有大量微孔结构，比表面积高达1273.8m2/g。XPS测试表明该催化剂主要含有C、N、O等元素，其中N元素包含多种形式，具有较高比例的石墨态N。该催化剂的Raman光谱具有明显的D和G带峰，具有典型的石墨晶形结构；XRD测试结果显示，在24°和44°附近出现明显的衍射峰，与六边形石墨碳的{002}和{101}衍射晶面吻合。电催化活性测试表明其在O2饱和的0.1mol/L KOH中起始电位和半峰电位依次为0.03和-0.13（V vs.Ag/AgCl），该电位与相同测试条件下Pt/C催化剂相近。该催化剂良好的催化性能与其较高含量的石墨态N和大量的微孔结构密切相关。此外，该催化剂在碱性环境中还具有良好的稳定性和抗干扰性。在MFC实际运行过程中表现出一定的催化效果，其最大功率密度可达Pt/C的75%，其实际催化效果有待提升。　　（3）蛛丝是一种十分普遍且富含多种氨基酸的天然蛋白质纤维，其N、S含量高且该纤维直径为纳米尺寸，是制备N、S等杂原子掺杂碳基纳米催化剂的理想原料。以蛛丝为前驱体，ZnCl2为活化剂，采用高温碳化技术制备了N、S共掺杂的碳纳米纤维催化剂。SEM和TEM表征结果表明，该催化剂直径约200nm，且表面含有大量微孔结构。XPS光电子能谱测测试发现，该催化剂主要含有C、N、O、S等元素，其中N元素以石墨态为主，S元素含有较高比例的S-C结构。在O2饱和的0.1mol/L KOH及PBS溶液中其起始电位和半峰电位均与Pt/C相当，表现出良好的催化活性。在MFC实际运行过程中，最大功率密度高达1880mW/m2，为Pt/C催化剂的1.56倍，具有十分优良的实际催化效果。此外，该催化剂在碱性以及中性环境中表现出显著的稳定性和抗干扰性，能抵抗甲醇、乳酸及甲酸等多种有机分子干扰，是一种高效稳定的ORR催化剂。　　本研究以天然生物为原料，采用温和便捷的热处理技术制备高效稳定的碳基氧还原催化剂，具有成本低、污染小、方便快捷等特点，为非金属碳基纳米催化剂的制备提供了新方案。