随着人类活动的增多,对能量的需求也随之增加,化石能源的消耗促使全球各地都在寻找一种潜在的廉价清洁的可再生能源技术。微生物燃料电池(MFCs)利用微生物降解废水中的有机物质,并以电能的方式回收存储于其中的能量,有效地将污水处理和能量回收技术结合在一起,被认为是一种非常具有发展前景的新型能源技术。近年来,在科研人员的努力研究下,MFCs从可再生资源中回收能量的能力已经得到重大突破。然而,较低的输出功率以及昂贵的电极材料成本,仍是限制MFCs规模化及实际生产应用的主要挑战。阳极作为MFCs中产电微生物氧化有机底物并传输电子的主要场所,其性质与MFCs的产电性能密切相关。在当前应用的阳极材料中,具有良好生物相容性和高比表面积的三维(3D)碳材料阳极,在富集微生物和回收电子方面具有较大的优势,备受研究者青睐。本研究首先采用价格低廉且高比表面积的3D酚醛碳毡为阳极,通过不同温度的热处理,获得了较高的产电性能;然后对酚醛碳毡进行不同的化学改性处理,探究改性后的酚醛碳毡阳极的产电性能;最后,为进一步降低阳极材料电阻,采用具有较高导电能力和超大孔的中间相沥青基碳泡沫作阳极,深入分析了其本征性质与MFCs性能之间的关系,并讨论了其在MFCs中的应用价值,为MFCs的放大化研究提供借鉴。本论文取得的主要成果如下:(1)首先,以酚醛碳毡(PCF)作为阳极材料,研究了不同制备条件下获得的阳极性能对MFCs产电性能的影响。通过对酚醛纤维毡进行700、800、900、1000和1400℃的碳化处理,发现900℃碳化的酚醛碳毡(PCF-900)阳极具有最优的产电性能,最大功率密度高达2600 mW/m2。XPS测试结果显示,PCF-900具有较多的亲水性官能团,不仅能够增加材料的亲水性,促进产电菌的富集,而且酚羟基与产电菌外膜之间易形成较强的氢键作用,有利于电子的转移。此外,Zeta电位结果显示,PCF-900的表面正电性最强,与产电微生物之间的静电吸引作用最强,有利于生物膜的形成和电子转移。这表明PCF-900具有良好的生物相容性和产电性能,是一种高效的阳极材料。这也是首次将酚醛碳毡用作MFCs的阳极材料的研究。(2)然后,为进一步提高PCF-900的比表面积和表面正电性官能团,本研究进一步对PCF-900阳极进行化学活化和氨气改性处理,发现两种改性手段均不利于改善酚醛碳毡阳极的产电性能。结果表明,通过化学活化获得的酚醛基活性碳毡(PACF),其比表面积高达2159.83 m2/g,孔结构主要为微孔,增加了其电阻率;并且与PCF-900相比,PACF 阳极表面的Zeta电位负移,减弱了 PACF与微生物之间的静电吸引作用,增加电子传输阻力,由此导致PACF-MFC的最大功率密度降低至1620 mW/m2。此外,采用氨气对PCF-900进行改性处理,发现改性后的酚醛碳毡阳极的电化学性能也有所降低。SEM和电阻率测试结果显示,氨气改性酚醛碳毡,对其表面造成不同程度的刻蚀造孔作用,虽然提高了表面粗糙度,但其电阻率明显降低。此外,XPS和Zeta电位显示,氨气处理后,酚醛碳毡表面掺杂的N元素主要以呈负电性的吡咯型氮为主,这会降低材料的表面电性并增加材料的电阻率,减弱了阳极表面与微生物之间的相互吸引力,增加电子转移过程中的能量损失,从而使MFCs的产电能力下降。因此,还需要开发其他有效的修饰改性方法进一步提高酚醛碳毡阳极的产电性能。(3)为进一步考察阳极材料电阻对MFCs产电性能的影响,本研究采用高导电的3D石墨化中间相沥青基碳泡沫(GMCF)这种新颖的碳材料作为MFCs的阳极载体,并对比了中间相沥青基碳刷(MCB)和碳毡(CF)作阳极的MFCs的产电性能。结果表明,GMCF 阳极具有交错的超大孔和通孔结构,为产电菌提供了较为广阔的栖息地,而且发达的韧带结构使其具有很高的导电性,能够有效改善电子转移速率。通过分析三种阳极MFCs的产电性能,发现GMCF 阳极显示出优异的产电能力。在外接电阻为1000Ω的条件下,GMCF-MFC的稳定输出电压为0.59V,高于MCB-MFC(U=0.56 V)和 CF-MFC(U=0.5 V);并且 GMCF-MFC 的最大功率密度可达1800 mW/m2,分别是MCB-MFC和CF-MFC的1.33和2.65倍。因此,高导电碳泡沫可以作为一种高性能的阳极材料,在放大型MFCs具有较大的应用潜力。