目前,人类社会面临着严峻能源挑战和环境问题。人类文明的发展离不开大量能源资源的利用,发展所产生的污染又对人类的生存环境造成了极为严重的破坏。而微生物燃料电池(MFC)技术的出现,为同时解决能源和环境污染提供了一种新的思路,它能将污水中的化学能转化为可以供生产使用的电能,在净化环境的同时也提供了一种绿色能源。然而,MFC技术自身依旧存在着一些瓶颈,阻碍了这项技术在工程中的应用,如造价高、能量转化效率低、扩大化困难等。针对MFC造价高的问题,本文在传统的空气阴极理论和方法的基础之上,提出了新的空气阴极制备方式,并对几种不同的空气阴极进行了讨论。本文以“三明治”阴极结构理论为基础,提出了一种活性炭、不锈钢网及建筑防水透气膜为材料制作空气阴极(AC-WBM阴极)的方法,为了探究这种方法的可行性,通过构建MFC与传统碳布阴极(Pt-CC)和两种铂碳-不锈钢网-建筑防水透气膜阴极(Pt-on-SSM和Pt-on-WBM)进行性能对比。以2 g/L乙酸钠为底物,AC-WBM阴极的最大功率密度达到了0.96 W/m2,低于Pt-CC阴极的1.30 W/m2。但是鉴于成本比较低,所以认为该制备方法有一定的研究价值。在验证了AC-WBM阴极具有一定的可行性之后,使用了碳黑(CB)-PTFE混合层、聚乙烯薄膜(PE)和热塑聚氨酯薄膜(TPU)对建筑防水透气膜进行替换,其中,AC-CB阴极和AC-TPU阴极的最大功率密度分别达到了2.15 W/m2和2.03 W/m2,而相同条件下的Pt-CC阴极只达到了1.51 W/m2。通过对几种阴极进行综合比较后,以综合评价最优的AC-TPU阴极利用管式反应器进行了扩大化实验。最后,为了探究不同材料阴极对MFC体系中微生物群落的影响,通过Illumina Hi Seq测序平台进行了16S r RNA基因测序,并分析了不同MFC中阴极和阳极上生物群落的差异。阳极上的微生物组成和阴极上的微生物组成具有明显区别。阳极上主要的门为Proteobacteria,主要的优势的细菌为Geobacter属(38~75%),从阳极生物群落结构可以看出各组MFC系统的阳极产电微生物富集情况良好。而不同类型的阴极对阴极上的微生物群落结构有着较大的影响。整体来看,不同阴极对于MFC的性能具有一定的影响。