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随着经济的发展,能源匮乏、环境污染问题日益严重。新能源的开发利用得到广泛关注。微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）以有机污染物为电子供体,处理污水的同时产生电能,是一种将产能和污水处理相结合的技术。采用活性炭作为MFCs空气阴极材料目前应用最广,但是其产能较低,不利于MFCs进一步发展。因此,对传统活性炭进一步改性引起了越来越多关注。目前,大部分研究集中在过渡金属对传统活性炭改性,进而提高其导电性能。本文主要研究非过渡金属——半导体对活性炭改性作为MFCs空气阴极催化剂,以其提高电池功率密度,并对其电化学性能和氧化还原机理进行了分析研究。利用纳米棒单斜晶半导体β-Ga2O3与传统的活性炭掺杂,代替昂贵的铂电极,作为微生物燃料电池的阴极材料,得到最大功率密度为1843±40 mW m-2,是空白活性炭的三倍。通过EIS分析可以看出,经β-Ga2O3修饰后,电池总电阻、电荷转移电阻均有所下降。XPS结果显示,β-Ga2O3中存在大量的氧空位;Tafel曲线得出,β-Ga2O3/AC交换电流密度较大,为17.584×10-4 A/cm2,RDE结果显示,β-Ga2O3/AC空气阴极为四电子转移,这都表明β-Ga2O3具有较好的ORR。β-Ga2O3掺杂活性炭比表面积增加,表面存在较多的孔隙,提供了大量的活性位点,进而提高了电化学活性。利用水热法制备尖晶石结构的CoGa2O4,与活性炭掺杂作为阴极催化剂。得到最大功率密度为1911±49 mW m-2,比空白活性炭高出147%。TEM和XRD结果揭示了CoGa2O4的晶体结构,RDE说明CoGa2O4/AC空气阴极为四电子转移,能较好的促进ORR性能。从TGA和XPS结果可以看出,CoGa2O4纳米晶体具有较多的氧空位,在催化过程中起了很重要的作用。总之,纳米尖晶石结构的CoGa2O4可以作为铂的替代品,其具有较好的催化性。本论文分析测试主要包括:电化学阻抗（EIS）,线性扫描伏安曲线（LSV）,Tafel测试,透射电镜（TEM）及扫描电镜（SEM）分析,旋转圆盘分析（RDE）,物理吸附比表面积分析（BET）,X射线光电子能谱分析（XPS）,X射线衍射分析（XRD）,热重量分析（TGA）。通过一系列电化学及其他分析,可得出当电化学阻抗降低,反应动力学提高时,功率输出也较高;同时,合成材料比表面积大,活性位点相应增多,及氧空位较多时,其催化性能较好。故修饰后的阴极效果更佳。