微生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)以电化学活性细菌作为催化剂,能够将废水中的化学能转化为电能进行回收利用,在多个领域均有潜在的应用。生物阳极是影响BES性能的关键因素之一。本论文从制备高性能生物阳极材料出发,提升BES的性能,并在微尺度上探讨生物阳极/细菌界面上细菌的附着行为,为BES阳极的开发与理解电极/微生物界面上的相互作用规律提供新的思路。首先,针对传统碳基阳极材料生物电化学性能差、机械强度低、成本高等关键技术难点,利用廉价的碳黑作为原料,使用电聚合法将碳黑中的碳纳米颗粒通过吡咯单体的聚合过程修饰在不锈钢丝网的表面,得到表面均匀的碳纳米颗粒/聚吡咯/不锈钢电极(CN/PPY/SS)。材料表征结果显示,经过表面修饰的电极结合了碳纳米颗粒、不锈钢丝网以及聚吡咯的优点,拥有良好的生物相容性、导电性以及较大的比表面积,可有效促进细菌的粘附以及界面电子传递过程。在三电极体系和微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)两个体系中,CN/PPY/SS电极都展现出了良好的电能输出性能以及稳定性。相比未经碳纳米颗粒修饰的电极,最大电能输出功率密度提高了 1.26倍。其次,为构建具有大比表面积的三维多孔生物电极,利用液氮快速汽化法结合热处理法制备了一种具有良好性能三维膨胀石墨电极(TEGF)。材料表征的结果表明,该制备方法在获得具有较大电化学活性面积(302.9±5.2 cm2)的三维膨胀石墨材料的同时,可以有效避免石墨发生氧化,从而确保其具有良好的导电性和宏观三维多孔结构。进而,采用循环伏安法和电化学阻抗法研究了 EGF的生物电化学性能。结果表明,改性后的电极具有更好的生物电化学活性。在MFC中,TEGF的最大功率密度比普通柔性石墨纸提高了 8.5倍,达到了 228 mW/m2。结合电极的产电性能以及电化学活性面积测试的结果推测,除了比表面积的增加之外,TEGF表面形成的类石墨烯的结构也促进了电子传递过程。最后,为了更好地理解电极/微生物界面上的相互作用规律,指导高性能生物阳极的开发,使用单细胞力谱技术对电化学活性细菌Shewannella oneidensis MR-1与金基底之间的粘附力进行了测量。该部分研究选取阳极表面电荷作为考察因素,从细菌层面定量测试单个细菌与电极之间的粘附力曲线。测试结果表明,在接触时间较短的情况下,电极表面电荷与细菌表面电荷互补程度越高,粘附力越大,有利于促进早期生物膜的形成。