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紧凑式微生物燃料电池(Compact-Electrode Assembly Microbial Fuel Cells,CEA-MFCs)通过将阳极、绝缘分隔层和阴极压合在一起,最大程度减少MFCs的溶液内阻,被认为是目前最适于放大化的反应器构型。然而,随着电极间距的减小,从空气阴极侧扩散至阳极附近的氧气也随之增加,抑制生物阳极的产电。因此,解决阳极“氧气污染”已成为开发高性能CEA-MFCs的关键。本论文深入探究氧气对阳极生物膜成膜过程的影响,通过阳极生物膜生长成膜定向调控,构建高性能耐氧型阳极生物膜,开发高性能CEA-MFCs。首先开发了碳纳米角修饰阳极和接种物筛选两种手段提高生物阳极电化学性能。采用单壁碳纳米角修饰阳极显著降低阳极阻抗,提升阳极性能,效果优于活性炭和碳纳米管。采用来自单室空气阴极MFCs阳极生物膜的阳极接种物构建的阳极生物膜相比于来自阴极生物膜的阴极接种物构建的阳极生物膜具有更好的接种效果。但接种物类型好氧或厌氧对接种后阳极生物膜耐氧能力的提升不大。探究了不同氧分压下阳极生物膜的成膜过程、生物膜结构和产电机理。厌氧条件下,阳极生物膜形成由Geobacter主导的单层致密生物膜结构;好氧条件下,阳极生物膜形成外层以好氧微生物为主,内层以Geobacter为主的双层生物膜结构。在双层阳极生物膜结构中,外层生物膜主要消耗氧气,而内层生物膜为产电的主体部分。在这种情况下,基质在生物膜中的扩散成为阳极产电的限制因素。因此,当阳极生物膜成熟后,产电能力下降。为提升耐氧阳极的产电性能,需要调控阳极生物膜的生长,形成高效的氧阻碍层。针对阳极生物膜生长成膜调控,提出了调控流体剪切力和外电路电阻值两种生物膜生长成膜调控手段。随着流体剪切力的增加和外电路电阻值的减小,阳极生物膜的阳极阻抗降低,产电性能、生物量和生物膜活力增加。在高剪切力和小电阻下形成的阳极生物膜结构致密连续,在小剪切力和大电阻下形成的阳极生物膜结构疏松多孔;这种生物膜结构上的差异可能会影响氧气向生物膜内部的扩散。随后考察了不同流体剪切力和外电路电阻值下形成的阳极生物膜的耐氧能力。阳极室曝气时,小电阻和高流体剪切力启动的阳极生物膜内部均处于厌氧状态,可以正常产电;而大电阻和低流体剪切力启动的阳极生物膜内部处于好氧状态,无法产电。模拟氧气扩散过程和统计生物膜的孔隙率与曝空气时产电损失表明致密的阳极生物膜结构是构建耐氧型阳极的关键。采用高性能耐氧型阳极生物膜构建CEA-MFCs,最大面积功率密度达到4300 mW/m~2,长期运行稳定性良好,为高性能紧凑式MFCs的开发提供了支持。