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在能源危机的背景下，微生物燃料电池(MFCs)是一种能够产电同时处理污水的装置。利用活性炭作为MFCs的空气阴极材料应用最为广泛，然而空气动力学成为主要制约因素。利用过渡金属对活性炭进行改性，提高MFCs的产电效果，探讨其电化学性能和氧还原反应机理是本文主要研究内容。 一种新型的N型氧化亚铜改性活性炭空气阴极被用于微生物燃料电池中，它可以代替传统昂贵的铂电极同时具有较高的氧还原反应速率。利用电沉积的方法将Cu2O修饰在活性炭空气阴极的表面，最大功率密度达到1390±76mW/m2，比空白活性炭空气阴极提高了近59％。特别是总电阻和电荷转移电阻有明显的下降。Tafel曲线的结果也表明Cu2O/AC的空气阴极具有更快的电子转移动力学，交换电流电势为1.03×10-3A/cm2，相比空白提高了69％。带状Cu2O沉积于活性炭表面，比表面积有所增加。尖晶石型Cu2O晶体主要沿(111)晶面生长，晶面间距为2.48(A)，存在一定的晶面缺陷，这为氧还原反应提供了主要的活性位点。不仅如此，存在于N型半导体中的氧空位加快了氧气的吸附扩散，为提高电化学催化活性起到了重要的作用。 将不同的钴化合物沉积于活性炭表面改性空气阴极，具有较好的ORR反应速率。当沉积电压分别为-1V和+1V时，沉积产物分别为Co(OH)2和Co3O4，以此改性活性炭空气阴极，MFCs的最大功率密度分别为1234.8±48mW/m2和1420.8±54mW/m2，相比空白提高了42.4％和64.8％。沉积的钴使电极的电荷转移电阻下降了39.6％，并且Tafel曲线发现Co3O4的阴极具有最高的交换电流密度为1.58×10-3A/cm/2，是空白的2.6倍，表明Co3O4可以利用更多的电子，具有更快的电化学反应速率。在阴极活性炭表面生成的Co3O4纳米网状结构，提高了电极的比表面积，然而Co(OH)2却起到相反的作用。程序升温还原用于探讨沉积样品的催化特性，说明了沉积的钴化合物具有较高的活性并且改变了活性炭表面的含氧官能团。并且Co3O4比Co(OH)2具有更高的结晶度，更利于电化学催化反应的进行。