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随着全球人口持续不断地增长，化石燃料即将耗尽，全球环境问题日益紧迫，人们对环境友好型的新能源和新技术的需求越来越强烈。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是利用微生物将任何可生物降解的有机废物中的化学能直接转化为电能，同时又能够处理废水的新型生物电化学装置，由于较低的输出电流和高成本，限制了微生物燃料电池大规模的实际应用，而阴极的氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)的缓慢动力学是影响MFCs发展的重要因素。因此，开发一种低成本、具有高催化活性和良好稳定性的ORR催化剂是非常必要。通过文献调研，发现杂原子掺杂碳基材料具有优异的ORR催化活性以及稳定性，并在新能源等领域广泛应用。根据上述的问题，本文的主要研究内容如下：
1、采用简单的一步热解法，煅烧温度为1000℃，使用廉价的聚苯胺作为碳源和氮源，聚苯胺与硼酸的复合材料作为前驱体，合成了一种氮硼共掺杂碳材料(PANI/B-n，其中n为硼酸的量)，其在碱性溶液和中性溶液中都具有较好的ORR催化活性，表现出比Pt/C优异的稳定性。其中PANI/B-8在0.1MKOH和0.1M磷酸缓冲溶液(phosphate buffer solution，PBS)的电解液中的起始电位分别可达到0.93V和0.89V，均可与商业Pt/C匹敌甚至更好。此外，我们对制备的催化剂材料进行了一系列的物理表征，以分析硼原子掺杂对碳基材料物理结构以及元素组成的影响。将其应用于微生物燃料电池的阴极。我们额外地测试了当阴极液为中性和碱性时PANI/B-8-MFC的输出电流和最高功率密度，均表现出比商用Pt/C20wt%优异的性能，且在碱性条件下的产电性能优于中性条件下的产电性能。
2、以多壁碳纳米管为碳源，聚四氟乙烯提供氟源制备了一种氟掺杂碳基复合材料作为ORR催化剂，其中温度作为对比条件。采用一系列的物理表征技术对合成的材料进行测试，以此分析其形貌与结构。在0.1MKOH溶液中O-CNTs-F-800具有良好的ORR催化活性，其起始点位达到0.82V(vs.RHE)。将其作为MFCs的阴极催化剂，O-CNTs-F-800表现出良好的产电性能，其输出功率密度高达597.23mWm-2。
1、采用简单的一步热解法，煅烧温度为1000℃，使用廉价的聚苯胺作为碳源和氮源，聚苯胺与硼酸的复合材料作为前驱体，合成了一种氮硼共掺杂碳材料(PANI/B-n，其中n为硼酸的量)，其在碱性溶液和中性溶液中都具有较好的ORR催化活性，表现出比Pt/C优异的稳定性。其中PANI/B-8在0.1MKOH和0.1M磷酸缓冲溶液(phosphate buffer solution，PBS)的电解液中的起始电位分别可达到0.93V和0.89V，均可与商业Pt/C匹敌甚至更好。此外，我们对制备的催化剂材料进行了一系列的物理表征，以分析硼原子掺杂对碳基材料物理结构以及元素组成的影响。将其应用于微生物燃料电池的阴极。我们额外地测试了当阴极液为中性和碱性时PANI/B-8-MFC的输出电流和最高功率密度，均表现出比商用Pt/C20wt%优异的性能，且在碱性条件下的产电性能优于中性条件下的产电性能。
2、以多壁碳纳米管为碳源，聚四氟乙烯提供氟源制备了一种氟掺杂碳基复合材料作为ORR催化剂，其中温度作为对比条件。采用一系列的物理表征技术对合成的材料进行测试，以此分析其形貌与结构。在0.1MKOH溶液中O-CNTs-F-800具有良好的ORR催化活性，其起始点位达到0.82V(vs.RHE)。将其作为MFCs的阴极催化剂，O-CNTs-F-800表现出良好的产电性能，其输出功率密度高达597.23mWm-2。