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微生物燃料电池(MFC)能够将有机物中的化学能直接转化为电能,是集产能与环保为一体的新型能量转换装置。空气阴极以O2为电子受体,氧化还原电位高。但是,阴极氧还原反应(ORR)速率缓慢,需要用催化剂提高其反应速率并降低阴极过电势。传统的已知最高效的Pt基催化剂成本高、资源匮乏且易中毒。因此,亟需发展高效、成本低廉的ORR催化剂替代贵金属Pt。金属有机骨架化合物(MOF)Cu-bipy-BTC在中性电解液中具有优异的ORR催化性能,若能克服Cu-bipy-BTC导电性差,则可望用于修饰阴极,实现高效快速的ORR反应。鉴于此,本文拟采取煅烧法改善Cu-bipy-BTC的导电性同时保留/提高其氧还原催化活性,从而提高阴极性能,提升MFC产电性能。采用水热法制备了前驱体Cu-bipy-BTC,采用N2保护下高温煅烧制备了Cu-bipy-BTC 衍生碳基催化剂 MOF-T(T = 600、700、800、900℃)。SEM、XRD、FTIR表征结果表明,MOF-T的晶体结构相似,为Cu、N掺杂的多孔碳材料。高分辨率Nls谱图表明,Cu-bipy-BTC只有吡咯氮一种形态的氮,而MOF-T含有吡啶氮、吡咯氮、石墨氮三种形态的氮。不同形态的氮提供了大量催化活性位点(C-N,Cu-Nx),有利于提高ORR催化性能。与Cu-bipy-BTC相比较,MOF-800和MOF-900不仅具有更大的比表面积(分别为58.4和37.7 m2·g-1),还产生了大量的微孔(0.5～1.3 nm)。电化学测试结果表明,Cu-bipy-BTC煅烧之后仍然具有ORR催化活性,考虑到催化性能和能耗,本研究以800℃作为最佳煅烧温度。MOF-800催化的ORR为典型的传质和传荷混合控制步骤,且符合一级反应动力学;其ORR起始电位约为-40 mV(vs.Ag/AgCl),其极限电流密度为-3.06mA·cm-2。旋转环盘电极测试表明,MOF-800催化的ORR电子转移数为3.95～3.99,H2O2产率低于2.5%,说明其具有高度的选择性,其ORR反应过程遵循4电子途径。高温煅烧后,MOF-800丰富的孔结构和更大的比表面积,以及不同形态的氮是使其具有高ORR催化性能的主要原因。构建了单室空气阴极MFC体系,以空白阴极(没有催化剂)MFC和Pt/C阴极MFC为对照,考察了不同阴极MFC的产电性能。结果表明,MOF-800修饰阴极具有优异的氧还原催化性能,其还原电流约为-2.2 mA·cm-2,达到Pt/C阴极(-2.9 mA·cm-2)的76%。EIS测试结果表明,Cu-bipy-BTC阴极的电荷转移阻抗Rct最大(176.8 Ω),经过高温煅烧,其衍生碳基材料的Rct值显著下降,MOF-800阴极的Rct值仅有1.38Ω。MOF-800-MFC的最大功率密度为 326 ± 11 mW·m-2,是 Cu-bipy-BTC-MFC 的 2.6 倍,达到 Pt/C-MFC的81.07%。MOF-800具有优异的ORR催化性能和优良的导电性,有望替代贵金属Pt应用于MFC。