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需的矛盾日趋明显，社会不和谐因素增加，严重地影响了人们的日常生活和社会发展[1]
。为
了解决能源短缺和传统能源对环境污染等问题，绿色能源与可替代能源的发展成为目前研究
者亟待解决的热点课题。目前传统能源的利用方式存在以下缺点：不可再生，效率不高，污
染严重等[2]
。燃料电池（fuel cell, FC）是一种在常温下直接将燃料的化学能转换成电能的装
置[3]
。燃料电池以其能源转换效率高、环境友好、噪声小等特点，近年来得到国内外普遍重
视，在航空航天、水下潜器、电动汽车、家用电源、环境治理等领域的应用具有广阔前景[4]
。
我国环境污染问题日趋严重，河湖水域遭到破坏，水生物大量死亡。由于水资源被污染
引起的患病几率增加，使人们开始意识并采用各种手段来加强污水治理。目前传统废水治理
技术耗能高、成本高且不能回收废水中有价值的产品。结合我国实际情况，开发高效、低耗
的水处理技术势在必行。
微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）是将有机物中的化学能直接转化为电能的装
置，与其它燃料电池相比，具有以下优点：（1）底物来源广泛；（2）操作条件温和；（3）
电池造价低；（4）能量利用率高；（5）生物相容性好；（6）产物无污染，可以实现零排放，
为处理废水以及开发新能源提供良好的应用前景[5]
。
微生物燃料电池与其他燃料电池的不同点在于它使用有机物质作为燃料。在阳极，有机
物质氧化放出电子和质子，产生的电流通过外电路流至阴极。在阴极，氧（或其它电子受体）
与电子和质子反应生成水（或其他还原化合物）[6]
。微生物在分解有机物的同时产生电，既
能处理污水，又能产生电能。MFC 技术不仅适用于高浓度的有机废水，还适用于普通有机废
水的处理，对于一些污染严重的地区来说 MFC 这种可再生清洁能源技术具有广阔的应用前
景。
然而，构建成本高成为了目前我们研究MFC 的一大难题。开发廉价高效的阴极催化材料
是降低 MFC 成本的关键。作为MFC 阴极材料的必要条件是高导电率、高比表面积、高空隙
率、廉价、容易制造等[7]
。发生阴极的氧还原反应极易受到阴极材料催化能力的影响。本文
旨在研究稳定性好、抗毒性好、输出功率高的阴极催化剂，从而提高燃料电池产电性能。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 氧还原催化剂的研究现状催化剂是氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR）中提高电极反应速度，进而提高
输出功率的关键。催化剂必须具备比表面积大、稳定性好、抗毒性好以及活性高等特点。近
年来常用的阴极催化剂有贵金属、过渡金属氧化物、过渡金属大环化合物、有机化合物、非
贵金属催化剂等。金属铂（Pt）以及其合金常被用作ORR阴极催化剂，具有高的电催化活性，
在酸性、中性以及碱性条件下均是最好的 ORR 催化剂，然而 Pt 的昂贵、不稳定、抗毒性差
等缺点限制了其在商业中的大规模应用。减少和代替 Pt 催化剂应用的研究还在继续。自从
Jasinski 首次被报道通过用过渡金属、碳和含氮前驱体在高温下热解获得无贵金属催化剂
（non-precious metal catalysts, NPMCs），NPMCs和无金属催化剂的研究因此不断发展起来，
被认为是可以替代 Pt 催化剂的新型催化剂[8]
。
最近，非金属杂原子（B，N，F，P，S 等）掺杂碳材料，例如石墨烯[9-15]
，碳纳米管 [16,17]