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环境污染问题和能源资源匮乏的加剧，使得新能源的开发和利用变得越来越重要。微生物燃料电池（MFC）是利用微生物降解有机物产生电能的新技术，有望同时缓解能源危机以及水体污染问题。本研究以序批式单室空气阴极MFC为基础，从阳极粘合剂、基体材料的选择和石墨烯（G）阳极材料的制备以及碳纳米管（CNT）阴极催化剂的制备及其研究等几方面对MFC进行优化，为MFC纳米电极材料的选择提供基础依据。主要结果如下：（1）分别使用5%PTFE溶液、5%Nafion溶液、PVDF粉末三种粘合剂将石墨烯负载在钛网上作为电池阳极组装并启动运行MFC（MFC-PTFE/G，MFC-Nafion/G和MFC-PVDF/G）。结果表明，三种粘合剂制备的阳极均可以正常启动MFC。其中，MFC-PVDF/G的电池稳定输出电压最高，可以达到0.326V，最大功率密度为466.3mW/m~2。（2）选用PVDF粘合剂，分别在碳毡和碳纸表面负载不同梯度载量G作为阳极材料构建并启动运行MFC。结果表明，G修饰碳毡的最佳载量为1mg/cm~2，对应的电池最大功率密度为682.3mW/m~2，性能次之的载量为4mg/cm~2，对应的电池最大功率密度为504.5mW/m~2；G修饰碳纸的最佳载量4mg/cm~2，对应的电池最大功率密度为432.2mW/m~2。当G载量小于4mg/cm~2时，相同载量条件下大比表面积碳毡阳极比小比表面积碳纸阳极的性能要好，当载量大于4mg/cm~2时，相同载量的碳毡和碳纸阳极产电性能几乎一样，并且电池的产电性能随着载量的增加而下降。SEM结果显示，当G载量为1mg/cm~2时，碳毡的碳纤维结构明显，与G结构一起相互影响微生物的附着与生长；当G载量为大于4mg/cm~2时，不管是碳毡还是碳纸材料均被G包埋。（3）分别在80℃和95℃条件下对CNT进行了羧基化，并通过浸渍—沉淀法制备了Pt/CNT催化剂（Pt/CNT-80和Pt/CNT-95），通过MFC产电性能验证了其催化氧还原效果（MFC-80、MFC-95和MFC-C）。结果表明，MFC-80和MFC-95的最大功率密度分别为412.8mW/m~2和568.8mW/m~2，内阻分别为207.7Ω和204.7Ω，而MFC-C的最大功率密度与内阻分别是5.35mW/m~2以及826.2Ω。这说明羧基化CNT作为催化剂载体不仅可以提高电池的工作效率，还减小了电池内阻。XPS、XRD和SEM分析结果表明，羧基化体系的温度越高，CNT管壁和端口生成的含氧基团越多，为Pt的负载提供的化学活性位点和置换基团越丰富，沉积的Pt粒子平均粒径越小，分散越均匀，表现出更优越的催化氧还原性能。