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能源问题日益成为制约国际社会经济发展的主要瓶颈,低碳环保型新能源的发展受到世界瞩目。微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFC）作为一种新型电池技术,它能以生活废水、工业废水等各种废水有机物为原料,利用产电微生物自身代谢作用完成从化学能到电能的转换,实现了能源回收与污水净化双重功效相结合的目标。长期以来,由于MFCs产电性能较低,长期运行稳定性较差,阴极催化剂造价较高等实际因素限制了其大规模商业化应用。其中,阴极催化剂的催化活性尤为重要,是限制其输出电能的关键因素。本文以提高MFCs的产电性能、降低阴极催化剂的造价成本为核心,杂原子掺杂非金属多孔碳为出发点,制备出两种高活性、低成本的阴极催化剂。采用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、N2吸附-脱附等温线（BET）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等材料表征方法分析所制备材料的结构特征。通过循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）、旋转圆盘/圆环电极（RDE/RRDE）等电化学测试方法对材料的电催化原理及活性进行分析。实验中以废弃柚子皮为碳源以降低实验成本,氟化铵作为氟源和氮源,氯化锌为助催化剂,向碳载体中加入不同用量的KOH活化剂（1:1,1.5:1,2:1,2.5:1）进行活化,并采用两步碳化法（第一步活化,第二步碳化）制备出氮氟共掺杂metal-free多孔碳（NF-PGCs）催化剂。对于NF-PGC复合材料,氮、氟杂原子掺杂可以产生原子协同效应,助催化剂的加入可以提高其导电性。此外,不同活化剂的用量导致其表面呈现多孔结构,可以有效增大比表面积,使氧还原反应活性位点增多。对其分别进行CV与LSV测试,初步探索NF-PGC材料的多孔结构与氧还原电催化活性的关系。NF-PGC-2相比于Pt/C获得最大电流密度,并遵循四电子转移动力学规律。将NF-PGC-2组装于MFCs阴极,测得最大输出功率密度为1039.7mW m-2,高于Pt/C。为提高MFC产电性能,基于以上实验对阴极催化剂的表面孔结构进行进一步改进。利用相同生物质碳源（柚子皮）,浸于硫脲与三氯化铁混合溶液,采用溶液蒸干自组装的方法引入不同用量SiO2模板（0,0.25,0.5,0.75,1.0g）,高温碳化后,通过碱溶液刻蚀模板的方法制备硫氮共掺杂二维多孔metal-free碳催化剂（HP-SN-PGC）。HP-SN-PGC材料由于杂原子掺杂及丰富的孔隙结构,其催化有效组分含量较高,石墨化程度较高,碳缺陷较多,使传质速率加快,有良好的催化活性。应用于MFCs实际运行时,HP-SN-PGC-0.5具有最大输出电压及功率密度(1161.13 mW m-2)及较小的传质内阻（19.3Ω）。当运行1800h后,功率密度仅下降了4.5%,与Pt/C相比,具有良好的产电效率及长期稳定性。本文中制备的杂原子掺杂多孔碳材料具有良好的ORR催化活性且造价成本低,对于替代MFCs阴极Pt基催化剂有良好的应用潜力。