微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物的催化作用直接将化学能转化为电能的新型燃料电池。本技术具有降低废水处理成本的潜力，也为未来废水处理工艺的改进提供了新的思路。单室空气型MFC因无需曝气，环境友好并易于放大，而具有良好的应用前景。然而空气阴极较低的氧还原活性和阳极较低的电子传递效率是限制单室MFC产电能力提高的重要因素。本论文从空气阴极扩散层、黏合剂和支撑物三个方面对空气阴极进行系统性优化，又从接种方式和添加金属氧化物纳米颗粒两方面改善阳极电子传递。论文取得了如下创新性的研究成果:　　1.开发了基于PVDF的空气阴极扩散层和基于F46的新型黏合剂材料用于制作空气阴极。使用PVDF替代常用的PTFE后，MFC输出的功率密度提高了8.5％，制作成本降低了64％。PVDF和PVDF/CB扩散层的层数对MFC的产电性能有显著的影响，其中涂有4层PVDF扩散层的L4空气阴极在MFC中的功率密度最高，达到1231 mW/m2，且PVDF扩散层的防水性能也明显优于PVDF/CB扩散层。使用F46替代Nation，空气阴极的产电性能并没有明显降低，但黏合剂的成本却降低了97.5％。研究还发现，低疏水性的扩散层和高疏水性的催化层可提高空气阴极在MFC中的产电功率。　　2.利用不锈钢毡(SSF)为支撑材料代替碳布和不锈钢网后，制作的三维空气阴极在MFC中获得了更高的功率密度。碳基层中碳黑的载量对SSF空气阴极的电化学活性和产电性能都有显著影响，其中碳黑载量为1.56 mg/cm2的SSF-1.56空气阴极在MFC中获得最大功率密度最高，达到1315±6 mW/m2。以孔径为80μm的SSF制作的SSF-80空气阴极在MFC获得的最大功率密度最高，达到1051±34 mW/m2，且这种空气阴极所能承受的静水压达到2.5±0.2m，为SSF空气阴极应用到实际废水产电提供了理论支持。　　3.考察了不同接种方式对MFC产电的影响。研究发现，接种方式显著影响MFC的产电性能，以阳极生物膜作为接种物的接种方式能使MFC获得的最大功率密度最高，达到1177mW/m2，说明对MFC产电贡献最大的是附着在阳极上的生物膜。同一接种物经过多轮不同方式的接种、运行后，阳极生物膜和阳极悬浮液的微生物群落结构发生不同程度的演替。研究了不同浓度的α-Fe2O3纳米颗粒对MFC产电性能的影响，当阳极液中α-Fe2O3纳米颗粒浓度为100mg/L时，MFC的最大功率密度最高，达到1117±12 mW/m2。MFC产电性能的提升是由于α-Fe2O3纳米颗粒促进了产电菌与阳极之间的电子传递。