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微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)在污水处理的同时可回收清洁能源——电能,是一种真正意义上的可持续的绿色能源技术,成为当今世界科学工作者的研究热点之一,为合理解决水体污染以及能源危机问题提供了新思路。然而考虑到MFC的未来应用,存在着功率密度低、电极成本高等诸多问题,其中阳极与电化学活性微生物间的电子传递过程成为关键限制因素。MFC阳极的电化学活性微生物主要由异化金属还原菌构成。研究指出铁(III)氧化物与异化金属还原菌的胞外细胞色素C具有高度亲和性,能够作为电子受体而被还原；此外,不锈钢网金属集流体的机械强度高,导电性能优于常规碳电极,成为目前电极材料发展的主方向。本论文首次以不锈钢网作为集流体,超级电容活性炭作为阳极微生物的载体,采用辊压工艺,通过聚四氟乙烯乳液的粘结作用,开发了新型阳极(AcM),以乙酸钠人工模拟废水为底物,构建单室无膜空气阴极微生物燃料电池。研究表明,AcM价格相对低廉,机械强度高,与阳极为碳纤维布的相同构型的MFC体系相比,其输出功率略高3.0%,可见该新型阳极有利于MFC技术的市场化推广,商业化应用前景广阔。纳米半导体α-FeOOH修饰AcM电极,电化学测试发现MFC体系极化内阻减小、交换电流密度及阳极峰电流增加,表明α-FeOOH促进了阳极与微生物间的电子传递；阳极常相位角元件增加、韦伯阻抗减小,表明α-FeOOH提高了阳极表面电子扩散能力,增大了阳极电容；在α-FeOOH质量百分含量由0、2.5%增长到5.0%时,MFC体系的最大输出功率密度从508±40mW/m2上升到637士51mW/m2、并进一步增加到693士20mW／m2,然而∝-FeOOH含量继续增加到7.5%时,最大输出功率密度反而下降至(?)639±30mW/m2,原因可能是生物还原的Fe(II)吸附沉积在电极表面,降低了阳极的导电性、扩散性及电容性能。针对纳米Fe304修饰的AcM阳极(AcFeM),电化学Tafel测试表明AcFeM的动力学活性增加,最大输出功率密度由664士17mW/m2(AcM)上升到809士5mW/m2(Fe3O4wt.%=5.0%),提高了约22%；此外,本论文首次提出体系中Fe304的动力学活性起主导作用,证实Fe304的存在提高了MFC阳极的电容存储性能,且其电荷存储能力随MFC开路间隔的增加先增加后减少；当开路时间为20min时,AcFeM获得的最大电荷存储量为574.6C／m2。电化学循环伏安技术分析表明AcFeM的电容主要来源于碳的孔隙结构、阳极生物膜的类电容性以及可能充当固体中介体的Fe3O4/Fe(Ⅱ)氧化还原电对。MFC极化曲线性能逆转的存在降低了其性能评估的准确性,基于阳极生物膜的类电容特性,以超级电容活性炭、普通活性炭、导电炭黑制备了电容大小不同的阳极UAC、PAC和CB1,研究了阳极材料电容对MFC极化曲线性能逆转的影响。结果表明,UAC的无菌阳极电容(Cmabiotic)最大(2.1F/cm2),在Cycle2～4内,UAC-MFC体系的极化曲线均未出现逆转现象；而PAC的Cmabiotic次之(1.6F/cm2), PAC-MFC体系的性能逆转在Cycle3时消失；CB1的Cmabiotic最小(0.5F/cm2), CB1-MFC体系的性能逆转在Cycle4时才得到消除,从而提出阳极材料的孔结构充当中介体而存储电子的作用机理,借以消除极化曲线的性能逆转现象。为证明上述实验结果的可信性,对另一种小电容的炭黑材料(CB2)进行KOH、HN03的化学活化处理,并与5%的Fe304粉末制备成复合阳极,用以增加炭黑自身电容。研究发现,化学活化使炭黑表面引入了含氧官能团,改变了表面元素组成,提高了电极的亲水性,增加了阳极的Cmabiotic；但电极经Fe304修饰后,其电容仅略有增加；结果表明,无论是采用化学活化,还是通过生物富集或Fe304添加的方式补偿阳极电容,只有当炭黑阳极Cm≥1.1F/cm2时,极化曲线才不会出现逆转现象,从而进一步证实阳极材料电容不足会导致极化曲线性能逆转的产生。