微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）是一种能将废水有机质的化学能转换为电能的装置,具有在污水处理的同时产生电能的双重功能,在能源开发与环境保护等领域受到了广泛关注。在众多类型的MFC中,空气阴极MFC因其直接利用氧气作为电子受体的特性而成为了领域内的热点研究对象,也是目前最有希望实现大规模商业化应用的构型之一。然而,空气阴极MFC的阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）往往需要在氧还原催化剂的协助下才能顺利进行。最常用的催化剂为Pt基催化剂,然而Pt在自然界中储量稀少,价格昂贵,导致在使用Pt基材料作为催化剂时大大增加了空气阴极MFC的成本,使得空气阴极MFC无法实现大规模商业应用,目前仍只能停留在小规模的实验室水平上。为寻找Pt基材料的替代品,大量低成本阴极催化剂被研发并应用于空气阴极MFC中。然而这些催化剂成本的降低往往伴随着空气阴极MFC产电性能的降低。因此,开发低成本且具有高催化活性的阴极催化剂材料成为了空气阴极MFC目前研究的热点。本文围绕制备“低价高效”空气阴极催化剂这一主题,基于拥有优秀电化学催化性能的金属有机骨架化合物（Metal-organic framework,MOF）,通过简便的方法制备了铜基金属有机骨架材料（Cu-MOF）与氨基官能化的铜基金属有机骨架材料（Cu-MOF-NH₂）。通过傅里叶红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等一系列表征手法对材料的理化性质进行了表征,分析了氨基的引入对Cu-MOF理化性质的影响。与此同时,通过“一锅法”制备了以Cu-MOF为催化剂的空气阴极电极与以Cu-MOF-NH₂为催化剂的空气阴极电极,利用循环伏安法对两种空气阴极进行了电化学活性测试,并以不含催化剂的基础空气阴极作为对比。然后将两种空气阴极电极应用于空气阴极MFC中,观测研究了两种催化剂为空气阴极MFC带来的产电性能的变化,并同样以不含催化剂的基础空气阴极作为对比。最后,通过对阳极表面菌群构成进行分析,探讨了两种催化剂在空气阴极MFC中的应用对阳极表面菌群构成的影响。对两种材料的理化性质表征发现,氨基的引入使苯环上的电子分布发生了变化,电子倾向于金属中心,这导致电子在金属中心附近富集并引起极化,因此氨基的嵌入使苯环和Cu-MOF-NH₂结构带正电荷。这种改变导致Cu-MOF-NH₂材料的内部晶体结构更加规则,同时改善了Cu-MOF-NH₂本身的孔道结构,显示出了更大的比表面积。而氨基本身良好的亲水性质也为Cu-MOF-NH₂带来了优异的亲水性能。同时,通过扫描电子显微镜观测发现,相比于Cu-MOF,Cu-MOF-NH₂在碳布基底上的分部更为均匀且牢固,这是因为Cu-MOF-NH₂的氨基与酸化处理的碳布表面的羧基发生作用,而且整体带正电荷的Cu-MOF-NH₂之间具有排斥性,这导致了Cu-MOF-NH₂能够在碳布基底上分布的更为均匀且牢靠。通过电化学活性测试发现,Cu-MOF-NH₂改性电极与Cu-MOF改性电极的循环伏安曲线图都具有明显的氧化还原峰,而Cu-MOF-NH₂改性电极拥有更大的电化学活性面积。通过MFC产电性能测试发现,Cu-MOF-NH₂改性空气阴极为空气阴极MFC带来了可观的功率密度输出,最大功率密度达到了0.64 W·m^-2,是Cu-MOF改性空气阴极的1.4倍(0.45 W·m^-2),不含催化剂的基础空气阴极的3.2倍(0.20 W·m^-2)。同时,通过对阳极表面附着菌群构成的分析发现,催化剂材料的使用能促进产电菌群在阳极表面的生长繁殖,这从另一方面促进了空气阴极MFC的产电输出。而当以Cu-MOF-NH₂为空气阴极催化剂运行空气阴极MFC时,阳极表面的产电菌群所占比例甚至超过了60%,高于以Cu-MOF为空气阴极催化剂运行空气阴极MFC时的阳极表面产电菌所占的比例,这从侧面说明了Cu-MOF-NH₂改性空气阴极能够给空气阴极MFC带来更高的电能输出。这项工作探索了一种用于优化普通MOF材料用作空气阴极催化剂的方法,通过简单的官能团的引入改变MOF材料的理化性质,使其具备更为优良的电化学催化活性,对以后空气阴极MFC的大规模推广和应用具有一定的指导意义。