微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物的催化分解作用将化学能转化为电能的电化学装置,在去除有机物的同时能够兼顾电能产生,因此在污水处理方面具有非常广阔的应用前景。MFC可分解的有机物种类较多,甚至污水中的一些复杂有机物都可以被直接氧化分解。MFC运行和维护的成本低,操作温和,在污水处理方面有着明显的优势。然而,MFC较低的功率输出是限制其走向实际应用的重要因素。一方面,单室MFC的产电性能往往受到空气阴极的限制。另一方面,为满足实际污水处理需求,对实验室规模的反应器放大过程中发生功率密度严重下降的问题。这严重阻碍了 MFC的实际化进程。本论文针对上述问题开展如下研究:1.空气阴极负载固体酸对单室MFC产电性能的影响研究首次将固体酸(硫酸化氧化锆)作为阴极催化剂负载在活性炭空气阴极中并考察其氧还原催化性能。LSV表征显示出负载硫酸化氧化锆的空气阴极更高的开路电位和催化电流。负载硫酸化氧化锆的空气阴极在MFC中运行获得明显高于配置未负载硫酸化氧化锆空气阴极的功率密度。但在长期运行过程中负载固体酸的空气阴极产电性能发生下降,实验表明这是由于空气阴极中的固体酸进入溶液并随着培养液的更换进一步流失所导致。硫酸化氧化锆为MFC阴极性能提升提供一种新的催化剂种类选择。2.卡马西平为前体合成Fe-N-C催化剂及其在MFC空气阴极中的催化性能研究首次使用卡马西平(C15H12N2O,Carbamazepine,5H-二苯并[b,f]氮杂卓-5-甲酰胺)作为有机前驱体合成用于在MFC中提升空气阴极氧还原性能的Fe-N-C催化剂。合成的Fe-CBZ催化剂具有多孔结构和均匀分布的Fe-Nx络合中心。LSV表征和在MFC中的长期运行表明合成的Fe-CBZ催化剂具有与商业化Pt/C相当的催化性能,在阴极受限的MFC中负载Fe-CBZ催化剂的空气阴极运行产生的最大功率密度是文献中报道的最高值。此外,Fe-CBZ催化剂具有比Pt/C明显高的毒物耐受性。卡马西平为合成高效Fe-N-C氧还原催化剂的有机前体选择提供了重要的参考。3.电极矩阵放大方式对MFC性能影响的研究设计了一种将电极对矩阵排列从而在水平方向任意拓展的MFC放大方法,并构建三种规模的MFC以验证其可行性。结果表明,随着装置体积增大该构型MFC产生的功率密度没有表现出下降趋势,这一结果与文献报道的MFC装置的输出功率随装置尺寸放大呈现明显下降的普遍结果形成对比。内阻的测量发现装置体积增大后MFC的内阻并没有随之增加。装置体积对MFC的有机物去除能力和库仑效率无明显影响,但是外阻的连接方式对MFC的库仑效率有较大的影响。该装置拓展方法在MFC实际应用进程中具有重要的参考价值。