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微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是一种可以实现能量转换及产能的新能源电池，与其他燃料电池相比，较低的功率密度、较长的启动时间是限制其实际应用推广的最大瓶颈。阳极作为产电微生物的附着载体，直接影响产电菌在其表面的附着速度、稳定性以及胞外电子传输效率。因此，以提高MFC的产电效率为出发点，选择合适的阳极修饰材料展开研究，对 MFC 整体性能的提升具有十分重要的意义。以石墨烯为代表的二维层状材料，因其优异的比表面积、导电性和生物相容性，已成为很有潜力的 MFC 阳极修饰材料。本论文以二维层状材料石墨烯和 Ti3C2Tx MXene为研究主体，通过理论分析和实验设计，分别对其亲水性和电容性进行修饰改性。具体展开如下两个方面研究：
（1）通过多巴胺诱导还原氧化石墨烯（rGO@PDA）改性碳布制备超亲水电极，用作微生物燃料电池的阳极（rGO@PDA/CC）。rGO@PDA/CC集成了PDA的亲水性、超强的生物黏附性和rGO的导电性及生物相容性，充分发挥二者的协同作用，且PDA引入的表面官能团可有效加快细菌与阳极之间的细胞外电子传输速率。因此，产电菌在短时间内可以快速稳定的附着于阳极表面，rGO@PDA/CC MFC的启动时间缩短至18小时，rGO/CC MFC和CC MFC的启动时间分别为48小时和58小时。rGO@PDA/CC MFC的最大功率密度为988 mW·m-2，远高于rGO/CC MFC（731 mW·m-2）和CC MFC （312 mW·m-2）。此外，rGO@PDA/CC MFC 对典型偶氮染料刚果红的脱色率在24小时内可达到89.7％，化学耗氧量（COD）的去除率在96小时可以达到77.8％。通过LC-MS技术对刚果红的降解产物进行表征分析，rGO@PDA/CC MFC可以在短时间内将刚果红大分子转化为小分子产物。rGO@PDA/CC 阳极表面具有稳定的生物膜， rGO和PDA的协同效应有效增强了微生物燃料电池的整体性能。
（2）将二维MnO2纳米片与二维MXene片协同耦合，设计了一种新型三维结构MFC阳极修饰物（MXene/MnO2）。MXene/MnO2复合物呈三维片层网状结构，比表面积为96.35 m2·g-1，片层互联的三维结构可以形成导电网格，为电子传输提供更多通道，其大孔结构也可为产电微生物提供更大的定殖空间。MnO2以其优异的赝电容性质，通过快速的氧化还原反应来改善细菌在阳极表面的粘附并加快电子传输，MXene 极大的增强了阳极的导电性，降低MFC的电子传输阻力，从而增强MFC的功率输出，提高了 MXene/MnO2/CC MFC 的发电效率。将制备电极组装在 MFC 后进行观察， MXene/MnO2/CC MFC的最大功率密度为760 mW·m-2，远高于MnO2/CC MFC（483 mW·m-2）和CC MFC（312 mW·m-2）。MXene/MnO2/CC MFC对典型偶氮染料刚果红的脱色率在48小时之内可达到87.6％。MXene/MnO2不仅保证了纳米复合物的稳定结构，且极大地促进了复合物内部的电子转移和离子扩散，MnO2纳米片与MXene之间的强协同效应，使得微生物燃料电池的整体性能得到有效提升。
（1）通过多巴胺诱导还原氧化石墨烯（rGO@PDA）改性碳布制备超亲水电极，用作微生物燃料电池的阳极（rGO@PDA/CC）。rGO@PDA/CC集成了PDA的亲水性、超强的生物黏附性和rGO的导电性及生物相容性，充分发挥二者的协同作用，且PDA引入的表面官能团可有效加快细菌与阳极之间的细胞外电子传输速率。因此，产电菌在短时间内可以快速稳定的附着于阳极表面，rGO@PDA/CC MFC的启动时间缩短至18小时，rGO/CC MFC和CC MFC的启动时间分别为48小时和58小时。rGO@PDA/CC MFC的最大功率密度为988 mW·m-2，远高于rGO/CC MFC（731 mW·m-2）和CC MFC （312 mW·m-2）。此外，rGO@PDA/CC MFC 对典型偶氮染料刚果红的脱色率在24小时内可达到89.7％，化学耗氧量（COD）的去除率在96小时可以达到77.8％。通过LC-MS技术对刚果红的降解产物进行表征分析，rGO@PDA/CC MFC可以在短时间内将刚果红大分子转化为小分子产物。rGO@PDA/CC 阳极表面具有稳定的生物膜， rGO和PDA的协同效应有效增强了微生物燃料电池的整体性能。
（2）将二维MnO2纳米片与二维MXene片协同耦合，设计了一种新型三维结构MFC阳极修饰物（MXene/MnO2）。MXene/MnO2复合物呈三维片层网状结构，比表面积为96.35 m2·g-1，片层互联的三维结构可以形成导电网格，为电子传输提供更多通道，其大孔结构也可为产电微生物提供更大的定殖空间。MnO2以其优异的赝电容性质，通过快速的氧化还原反应来改善细菌在阳极表面的粘附并加快电子传输，MXene 极大的增强了阳极的导电性，降低MFC的电子传输阻力，从而增强MFC的功率输出，提高了 MXene/MnO2/CC MFC 的发电效率。将制备电极组装在 MFC 后进行观察， MXene/MnO2/CC MFC的最大功率密度为760 mW·m-2，远高于MnO2/CC MFC（483 mW·m-2）和CC MFC（312 mW·m-2）。MXene/MnO2/CC MFC对典型偶氮染料刚果红的脱色率在48小时之内可达到87.6％。MXene/MnO2不仅保证了纳米复合物的稳定结构，且极大地促进了复合物内部的电子转移和离子扩散，MnO2纳米片与MXene之间的强协同效应，使得微生物燃料电池的整体性能得到有效提升。