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空气阴极微生物燃料电池(MFCs)是一种可以直接将有机底物中化学能转化为电能的绿色新能源技术，在环境能源领域得到了广泛的关注。针对目前空气阴极微生物燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢，需要用到贵金属催化剂和胶黏剂的问题，本论文开发出了多种低成本、高催化活性的ORR催化剂及无胶黏剂型空气阴极，探究了不同ORR催化剂结构与性能的关系及催化机理。论文取得了以下创新性研究成果: 1.基于聚丙烯基偕胺肟(PAO)与金属配位特性，开发了一系列低成本，高催化活性的阴极氧还原催化材料。其中，利用天然高分子-PAO吸附材料作为前驱体，吸附含铁废水后碳化得到N/Fe共掺杂多孔碳材料，通过电化学表征，该材料展现出了优异的ORR催化性能，该良好的催化性能归因于其高含量的掺杂氮种类（吡啶氮、石墨化氮）、铁的共掺杂以及较大的电化学活性面积。将该材料用于空气阴极MFC中获得了745mW m-2的输出功率密度，比Pt/C催化剂高11％。利用PAO负载不同过渡金属离子(Fe、Co、Ni、Mn)，通过高温碳化法制备了各种过渡金属元素及氮共掺杂多孔碳材料，其中，Fe3O4@N/Co-C(Fe/Co=11.3)具备优异电催化活性和甲醇耐受性，并在MFCs实际应用中获得了576mV的输出电压以及918mW m-2的最大输出功率密度，其分别比铂碳催化剂高出了3.6％和17.8％。 2.利用气泡模版效应以及石墨烯的隔离效应，以一种新型金属-PAO-石墨烯框架结构作为前驱体，经过一步高温碳化法得到了B-N-Fe共掺杂的多孔碳/石墨烯纳米杂化材料。该系列碳材料中BNFe-C-G2具有最好的ORR活性。BNFe-C-G2具有正的起始电压(0.25V)、半波电位(0.03V)以及更大的极限扩散电流（9.36mA cm-2），且比Pt/C具有更高的催化稳定性和甲醇耐受性。BNFe-C-G2在MFCs中的输出电压和最大功率密度分别高达575±11mV、1046.2±35mW m-2，相比于Pt/C分别提高了4.5％、44％。 3.首次发现并利用离子诱导效应得到了PAO凝胶，并进一步制备了Co-N-C纳米片/PtCo纳米合金复合材料。碳纳米片结构归因于PAO凝胶的离子诱导效应和高温碳化时的气泡裁剪效应的共同作用。Co的引入不仅可以在碳纳米片中形成高ORR活性的Co-Nx-C组分，还可以提高吡啶-N和石墨化-N的含量。此外，Co的引入还会形成PtCo纳米合金，其使CO的吸附能力下降，从而可以提高ORR催化稳定性和耐受性。基于Co-Nx-C与PtCo具有协同催化效应，Co-N-C/Pt表现出了优异的ORR催化性能。Co-N-C/Pt-MFCs表现出了比Pt/C催化剂更好的产电性能，最大输出功率密度可达1008±43mW m-2。Co-N-C/Pt-MFCs产电性能在长时间运行过程中会发生一定的衰减，其原因是由于生物膜在空气阴极的附着生长增加了MFCs体系的系统内阻造成的。 4.通过结合电沉积和低温烧结的方法，原位制备了一种无胶黏剂的MFCs空气阴极氧还原催化剂(NiCo2O4纳米片)。研究表明:沉积时间对NiCo2O4-CFC的ORR催化性能影响较大，当电沉积时间为45min时，ORR综合性能最优，且在实际MFCs中表现出了与Pt/C催化剂相当的输出电压和更好的最大输出功率密度。由于NiCo2O4-CFC-45中未使用粘胶剂，其MFCs体系的内阻小，尤其是电子传递内阻和电荷转移内阻远低于Pt/C催化剂，因此输出功率比Pt/C有所提升。 上述各种催化材料及阴极制备方法，制备成本低，与铂碳催化剂相比，价格便宜，因此，该材料的使用可以大幅度的降低MFCs的运行成本，为MFCs在废水处理中的应用提供了可能。