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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种新颖的生物电化学系统（bio-electrochemical systems,BES）,具有降解有机废水或者土壤中有机物及无机物同时产电的作用而备受关注。因其在废水处理中呈现出资源化、无害化的特点,MFC成为近年该领域的研究热点之一。然而电子传递速率制约着MFC的能源转化过程及其水处理和产电效率。针对这种情况,本研究将构建空气阴极MFC,拟通过提高阴极氧还原速率来提高MFC的电子传递速率,从而改善MFC的产电性能和污水处理效能。首先,本文以高锰酸钾、醋酸锰、石墨烯为原料,采用化学共沉淀法制备了Mn O2@graphene复合材料,用X-射线衍射等多种手段对复合材料进行了表征。并采用循环伏安法和电交流阻抗法研究了MnO2@graphene催化电极对氧还原反应的催化活性。研究结果表明,MnO2颗粒均匀而牢固地分散在纸片状石墨烯表面,形成MnO2@graphene复合材料。由于MnO2@graphene中高度分散于石墨烯表面的Mn O2的粒度较小,比表面积较大,催化活性位置较多,Mn O2@graphene催化电极具有与Pt/C电极接近的氧还原反应峰电位（-0.440V vs Ag/AgCl）、更大的峰电流密度、更小的电荷转移阻抗,因此其催化活性更优、循环稳定性更好。其次本研究构建了以课题组自行选育的微生物F026为阳极产电菌、MnO2@graphene为阴极催化剂的空气阴极MFC。以葡萄糖为阳极底物,考察了底物初始COD浓度、pH和阴极催化剂三个因素对MFC产电性能（稳定输出电压、最大产电功率密度）的影响规律。研究发现,三个因素都对MFC的稳定输出电压和最大产电功率密度具有一定影响。研究发现,阴极催化剂、初始底物COD浓度和底物pH的影响依次降低。通过单因素实验法初步获得了MFC产电的最佳条件:以MnO2@graphene为阴极催化剂、CCOD,初始=200mg/L、pH=7.5。在此条件下,MFC的稳定输出电压可达0.73V,最大输出功率密度可达2130.3mW/m2。最后以实际生活废水为MFC阳极底物,考虑到产电菌F026的最适宜生存条件和实际废水处理中的成本因素,研究了最佳产电pH下不同阴极催化剂对MFC处理实际废水中COD和NH4+-N效果的影响规律,并对三种催化剂在MFC中的催化作用机制进行了简单探讨。实验结果显示,以MnO2@graphene为阴极催化剂的MFC对废水中COD和NH4+-N的去除效果最好:60h内可将90%以上COD有效去除,最大去除效率可达99.5%;90h内,NH4+-N去除率可达90.5%以上,最大去除率可达92.2%。研究认为三种催化剂在MFC工作过程都是通过阴极催化产电机制而实现强化废水处理效果。催化剂通过催化MFC阴极氧气的还原,提高阴极氧气消耗电子的速度,迫使阳极产电菌提高催化氧化阳极有机物的速度,加速电子的产出,从而既改善MFC的产电功能,又提高MFC的污水处理效果。