微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）是近年来在环境和能源领域发展起来的一种能够同步实现污水处理和有机质能量回收的能源转化装置。MFC利用电化学活性生物膜作为阳极催化剂能够直接将废水中蕴含的化学能转化为绿色电能,在污水处理、电解制氢、脱盐海水淡化以及微生物传感器等方面都具有广阔的应用前景。然而,能量密度低和制作成本高仍然是制约MFC实际应用的关键问题。就此,人们进行了大量的研究工作。这些工作都围绕着增强电极催化剂与电子供体/电子受体之间的传质能力,从而有效提升MFC的产电效率展开。针对MFC目前仍然存在的两大关键限制因素,本文从改善电极材料、优化电极界面传质和简化操作/制备流程的角度展开研究。首先,以双电层电容性材料修饰阳极,增加微生物的附着量,提高生物阳极的电子传递效率;其次,将具有双功能特性的有机物分别用作阳极添加剂和碳源来优化阳极环境,调节阳极内部传质;然后,以三维多孔金属纤维毡为空气阴极集电体,并采用操作简单/低能耗的方法将金属/非贵金属复合催化剂直接负载于集电体上,通过改进电极结构、优化集电体和催化剂的结合方式对空气阴极氧还原三相界面进行调控,同时降低电极的制备能耗;最后,构建包含好氧生物膜的完整空气阴极数学物理模型,探究生物膜及其厚度变化对阴极各项性能的影响。具体的研究工作如下:阳极电极改性研究。提出利用具有超高比表面积和双电层电容特性的超级电容器碳纳米管复合活性炭材料（SC-AC-CNTs）对MFC阳极碳布表面进行修饰,来改善阳极比表面积低、生物相容性差以及电化学性能弱的问题。通过与空白碳布、超级电容器活性炭修饰碳布进行对比研究,证明SC-AC-CNTs修饰碳布能显著改善MFC的产电性能。SC-AC-CNTs的修饰明显增大了阳极碳布的比表面积和电化学活性;SC-AC-CNTs的高比表面积和电容特性协同促进微生物在阳极表面的附着,从而增强了生物膜的电子传递效率。阳极生物膜环境的传质优化。提出将具有p H调节性和微生物可降解性的有机物柠檬酸钠作为阳极添加剂应用于MFC,来调节阳极内部传质,增强生物膜向外输出电子的能力。柠檬酸钠的p H调节特性可以帮助减缓由微生物代谢造成的生物膜区域p H值的减小。适量柠檬酸钠(0.2 g L-1)的添加可以有效增强阳极生物膜的电催化活性,并减缓随着运行周期的增加阳极生物膜电活性的衰减。柠檬酸钠的添加使得阳极生物膜具有更多样化和更稳定的微生物群落结构,这从本质上提高了生物阳极的催化能力。鉴于柠檬酸钠的优良性能,提出将之作为碳源应用于MFC,并与常用碳源（乙酸钠和葡萄糖）进行对比研究,证明柠檬酸钠碳源具有优于乙酸钠和葡萄糖的产电性能。以柠檬酸钠为碳源的MFC具有更强的电化学活性和较小的电子传递阻抗;以柠檬酸钠为碳源的阳极生物膜的蛋白质含量、微生物种群丰度和多样性都明显大于乙酸钠和葡萄糖。空气阴极的结构优化研究。将具有丰富大孔结构的不锈钢纤维毡（SSFF）作为集电体材料,采用一步水热法将Pd纳米催化剂负载到SSFF上构建三维一体式无粘结剂空气阴极（Pd-SSFF）,来优化催化层与集电体的结合方式,同时简化阴极的制备流程。通过在Pd-SSFF的三维孔隙中添加炭黑填充层,来强化阴极传质（O2和OH-）和减少催化剂水淹,有效增强三相界面的氧还原活性。在相同催化剂负载量(0.5 mg cm-2)条件下,Pd-SSFF阴极的性能可与Pt/C-CC阴极相媲美。为进一步降低空气阴极的制备能耗和避免贵金属的使用,采用电化学和化学方法将基于石墨烯和Mn O2的非贵金属碳基复合催化剂在SSFF上直接合成来制备低能耗空气阴极（r GO@Mn O2-SSFF）。r GO@Mn O2-SSFF阴极具有优于Pt/C-CC阴极的催化ORR能力,这得益于三维多孔SSFF作为集电体增加了阴极的电化学活性面积。生物膜对空气阴极性能影响的模拟研究。构建了综合考虑阴极催化反应过程、生物膜生长动力学过程以及内部质量传输过程的二维稳态空气阴极模型,研究生物膜及其厚度变化对阴极传质和产电性能的影响。该模型预测得到的阴极产电性能与实验数据吻合良好。生物膜的存在降低了阴极的整体性能,当生物膜厚度为0.5 mm时,相较于无生物膜阴极,有生物膜阴极的最大功率密度下降了3.3%,总极化过电位增大了8.7%;随着生物膜厚度的增长,Pt/C催化层的输出电流密度不断减小,而生物膜层的输出电流密度逐渐增大,由于生物膜层的产电贡献很小,阴极的整体产电输出呈持续下降趋势。通过对Pt/C催化层域的质量分布分析得出,空气阴极产电性能的下降是由生物膜生长引起的产物OH-在Pt/C催化层的逐渐累积和反应物O2含量的不断下降两种因素共同造成的。