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微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)在常温下运行,可以使用种类繁多的微生物作为催化剂在产电的同时可以处理污水的有机物、重金属离子等,也可以用作生物传感器来评估污水的毒性,是一种有前景的环境修复技术。目前,MFC的输出功率密度较低难以驱动大部分装置,电极材料生产成本高,极大地限制了MFC在工业中的应用,其中电极与产电细菌之间较低的界面电子传递效率导致生物电催化性能较差,使得输出功率难以提高。阳极材料的特性对MFC的性能起决定性作用。近年来,多孔碳材料被大量应用于MFC阳极,使得MFC的产电性能得到大幅提高。通过综述前期的研究我们发现阳极材料的多孔结构与表面性质对MFC的性能具有重大影响,但多孔结构与表面性质对促进界面电子转移的具体机制及其对希瓦氏菌电化学行为的影响尚未明确,这对设计高效阳极材料具有指导意义。本论文以天然高分子和合成高分子为前驱体,通过对造孔剂含量的调控,经一步碳化制备出多种不同孔结构和氮氧元素掺杂的多孔碳材料,研究它们对腐败希瓦氏菌CN32界面电子传递过程和生物电催化性能的影响,对合适的孔结构以及表面元素含量进行了初步探讨。主要研究内容及结果如下:(1)以纤维素(cellulose)为前驱体,溶解在低温氢氧化钠-尿素水溶液中,调控尿素含量,经一步碳化制备了三种不同纤维素衍生多孔碳(CPC)材料,并将其用作希瓦氏菌CN32 MFC的阳极材料。通过控制尿素的含量,来调控多孔碳的孔结构(微孔、介孔和大孔)。实验结果表明,具有较多的介孔和大孔的CPC显着改善了电极界面黄素氧化还原反应,具有较高的催化反应电流,而大量微孔可显著提高材料比表面积以及电极的双电层电容。最终,CPC-9在具有较大的电容电流和催化反应电流的同时具有较多的生物膜载量,使其在希瓦氏菌CN32 MFC中获得最高的功率密度。(2)以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为前驱体,碳酸氢钠为造孔剂,经一步碳化制备了多种不同孔结构PVP衍生多孔碳(PPC)材料,并将其用作希瓦氏菌CN32MFC阳极材料。控制碳酸氢钠的含量,来调控多孔碳的孔结构以及表面元素(氮和氧)含量。实验结果表明,PPC-6表现出最好的生物电催化性能,高于具有较高微孔体积的PPC-4,也高于具有较高介孔体积的CPC-9。其原因是由于PPC-6具有较大的有效孔面积(孔径大于3 nm)和高的含氧量的特点,促进了黄素类电子介体界面电子转移,具有较大的催化电流,同时具有较多的生物负载量,使其在希瓦氏菌CN32 MFC中获得了最佳的功率输出性能。综上所述,多孔结构主要促进基于黄素介导的界面电子传递过程,而表面元素能够促进电极表面生物膜的生物电催化性能,进而提高MFC的输出功率。高效的多孔碳阳极应既能加快基于电子介体介导的界面电子传递速率,又能增强生物电催化性能,从而提高微生物燃料电池输出性能。