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燃料电池被认为是最具潜力解决能源危机和环境污染的能量转化装置。然而,目前的电极氧还原反应（ORR）高度依赖于贵重金属Pt基催化剂,不仅增大了电池的生产成本,而且电池的寿命受限于催化剂较差的长期稳定性与抗毒性,严重制约了燃料电池的大规模应用。近年,成本低、储量丰富、制备过程简单的生物质碳基催化剂表现出良好的发展前景,但它们的ORR催化活性仍然无法满足燃料电池的应用要求。开发高活性、高稳定性、高抗毒性的生物质碳基催化剂对加快燃料电池的产业化具有重要意义。其中,微生物燃料电池（MFC）作为一项可同步实现污水净化和生物产能的绿色可持续发展技术而备受关注。为了制备高活性生物质碳基催化剂,同时满足MFC的产能要求,本文以储量丰富、价格低廉的生物质废弃物为载体,基于结构和组成调控催化活性,设计不同的生物质碳基催化剂,结合物理特征、电化学特性以及MFC应用能力,分析不同策略制备生物质碳基催化剂的ORR和MFC适用性。主要研究策略包括:（1）基于生物质源的多样性,筛选出不同的生物质废弃物为前驱体,通过简单的预处理和直接高温热解制备具有特殊结构和组成的天然生物质碳基催化剂,分析它们的内在优势;（2）针对天然生物质碳基催化剂的低ORR活性,通过生物质的液化转化、前驱体环氧-酰胺树脂的制备、外源原子掺杂以及高温热解合成具有特殊结构的Fe/N和N掺杂碳基催化剂,分析制备工艺、掺杂源与性能的构效关系;（3）进一步地,选用储量丰富的氮自掺杂生物质废弃物为原料,通过氧化预处理、外源原子掺杂和高温热解分别制备了二元（Fe/N和P/N）和三元（Fe/P/N）掺杂碳基催化剂,分析掺杂源、热解温度与性能的构效关系;（4）为了增强生物质作为ORR催化剂前驱体的普遍适用性,选用木质纤维素作为原料,利用碱性润涨、强氧化处理以及与NH4Cl共热解制备N/O共掺杂碳基催化剂,分析制备工艺、原料掺杂比、热解温度与性能的构效关系。基于以上实验得到主要结论如下:（1）生物质废弃物椰糠（CC）、柚子皮（PP）、虾壳（SS）和椰壳纤维（CF）分别经碱煮、碳化预处理以及高温热解制备了具有碳管结构、片层结构、氮自掺杂以及纤维素活性炭碳基催化剂。在天然生物质碳基催化剂中,催化剂CC和PP拥有较高的比表面积,催化剂SS具有较多的含氮活性位点,它们的ORR过程均以4e-途径为主,但表现出比Pt/C低的ORR活性;催化剂CF无特殊结构,且比表面积和活性位点均最小,因而呈现出最低的催化活性和2e-转移途径。以3.75 mg cm-2的催化剂负载量制备空气阴极,CC-MFC、PP-MFC、SS-MFC和CF-MFC分别获得了445、435、470和238 m W m-2的最大输出功率,天然生物质碳基催化剂的大比表面积和高活性位点有利于ORR活性的提高,但总表现出比商业Pt/C(552 m W m-2)低的MFC应用能力。（2）利用香蕉假茎废弃物制备环氧-酰胺树脂为前驱体合成了具有片层结构的掺杂碳基催化剂N-C和Fe/N-C。在碱性介质中,Fe/N-C的ORR活性稍高于Pt/C;在中性介质中,Fe/N-C具有比Pt/C更高的ORR活性,而N-C的催化活性与Pt/C接近,且都具有4e-途径。Fe/N-C具有比N-C更高的比表面积和Fe、N活性位点,运行稳定性最好,因而表现出最佳的ORR活性。以3.75 mg cm-2的催化剂负载量制备N-C-MFC、Fe/N-C-MFC和Pt/C-MFC的最大输出功率分别为485±15 m W m-2、497±5m W m-2和501±7 m W m-2。相比而言,它们的MFC性能相近,进一步通过抗毒性分析表明,高活性Fe/N-C表现出最弱的抗毒性,从而造成Fe/N-C-MFC未能呈现出比N-C-MFC和Pt/C-MFC更强的应用能力。（3）将P和Fe掺杂到含氮虾壳碳基骨架中制备了二元掺杂催化剂P/N-SS、Fe/N-SS和三元掺杂催化剂P/Fe/N-SS。基于不同的掺杂源分析,P掺杂提高了含氮碳基催化剂的碱性ORR活性,Fe掺杂增强了催化剂的酸性ORR活性,而P和Fe的协同作用促进了三元掺杂催化剂在中性介质中表现出最高的催化活性。此外,Fe掺杂可以提高催化剂在不同p H环境中的长期稳定性。特别是P/N-SS具有与Pt/C接近的碱性ORR活性,但长期稳定性极差,通过同步引入Fe原子可以解决这一问题,且对应的半波电位和极限电流密度仅减少0.01 V和0.01 m A cm-2。在MFC应用中,P/Fe/N-SS 900-MFC的最大输出功率和电池电压为590±11 m W m-2和612m V,达到了Pt/C-MFC(610±22 m W m-2和669 m V)的96.7%和91.5%。（4）为了提供对生物质原料普遍适用的ORR催化剂制备策略,椰壳纤维素被选作原料,先通过强氧化处理提高表面活性,进一步与NH4Cl在高温条件下发生胺基-羧基缩合反应进行原位氮掺杂。强氧化处理、优化的原料掺杂比和热解温度明显增大了催化剂的比表面积以及N、O活性位点,因而CON-2-900表现出与商业Pt/C可媲美的ORR活性,电子转移接近4e-途径,且具有更好的长期稳定性和抗毒性。将CON-2-900组装成空气阴极MFC获得了0.49 V和1014±23 m W m-2的电池电压和最大输出功率密度,几乎达到了商业Pt/C的MFC应用能力(0.50 V和1062±14 m W m-2)。