光催化/微生物燃料电池能够借助光催化或生物催化作用净化废水,并同步回收废水中化学能转化成电能,近年来在水污染控制和清洁能源转换领域备受关注。构筑高催化活性、高稳定性的光/电催化电极是实现高效去除污染物和转换能量的关键。金属氧化物电极具有稳定性高、价格低廉和易制备的优点,但也存在催化活性不足的问题。目前单一形式的燃料电池对难降解废水的处理效能相对有限。针对以上问题,本研究设计并制备了新型金属氧化物复合电极包括:纳米银/氧化锌纳米阵列/镍泡沫光阳极、碳纳米纤维/铁酸钴/碳布阴极、碳纳米纤维/铁酸钴/聚偏氟乙烯阴极膜,在光催化/微生物燃料电池中探究了其对难降解有机污染物的催化活性和对产电性能的影响,并探究了非均相过一硫酸盐（PMS）催化、微生物催化及膜过滤强化燃料电池废水处理的效能及耦合作用机制。具体研究内容和结论如下:（1）采用“晶层-水热-光沉积”法,以三维多孔镍泡沫为基底构筑了纳米银修饰的氧化锌纳米棒阵列结构光阳极（AZN）。实验结果表明,电极有序的金属-半导体异质结结构提升了镍基电极对模拟太阳光的吸收能力并有效促进了光生载流子的分离。以黄连素为目标污染物考察了 AZN的光催化活性,其对黄连素（10 mg L-1）的去除率和矿化度分别为98.9%和89.6%（60 min）,并且降解动力学常数是未负载纳米银电极的1.26倍,高于镍片、碳布平面基底电极和氧化锌粉末催化剂。电子顺磁自由基测试表明,得益于独特的电极结构AZN能够生成丰富的羟基自由基（·OH）和超氧化物自由基（·O2-）。以黄连素为唯一燃料,AZN用作光阳极、Pt用作阴极构建的光催化燃料电池（PFC）能够同步产电。（2）鉴于传统PFC（·OH氧化为主）的催化活性相对有限,利用阴极的非均相PMS催化特性构建了 PMS-PFC耦合体系。其中,负载碳纳米纤维/铁酸钴催化剂（CNF/CoFe2O4）的碳布电极用作阴极,AZN用作光阳极。实验结果表明,PMS-PFC耦合体系协同提高了催化氧化黄连素活性和体系的电子传输特性:黄连素的去除率达到90.0%（10 min）,降解动力学常数（9.18 h-1）和输出电压（0.50 V）分别是PFC的7.29倍和1.28倍。反应机理研究表明,阴极的金属活性位点活化PMS产生硫酸根自由基（SO4·-）,并引发多种自由基之间的链式反应,提高自由基生成量;同时自阳极向阴极的电子传输过程加速了污染物的催化降解过程。PMS-PFC耦合体系具有循环稳定性,其运行能耗指标 EEO 为 5.25 kWh m-3。（3）采用相转化法制备了 CNF/CoFe2O4改性的聚偏氟乙烯（PVDF）阴极膜（CNF-CFO/PM）,利用其对PMS的活化特性构建了PMS催化耦合光催化燃料电池/膜反应器体系（PMS-PFC/MR）,同时借助阴极膜过滤作用加强传质过程。表征结果表明,阴极膜呈现出催化剂颗粒修饰的纤维状交错孔道结构。循环过滤模式下对污染物的去除性能高于静止模式,验证了膜过滤作用能够加速体系内污染物的去除。循环过滤模式下,相比未改性和碳纳米纤维改性的PVDF膜,CNF-CFO/PM阴极膜构建的PMS-PFC/MR具有最高的催化活性,对黄连素的去除率达到92.5%（30 min,反应体积:0.5 L）,其降解动力学常数是PFC/MR的9.39倍。阴极电子参与的还原过程降低了金属离子的溶出量,提高了阴极膜的重复利用性。机理研究表明,·OH、·O2-、SO4·-和1O2（单线态氧）自由基共同作用于污染物的降解。PMS-PFC/MR的输出电压、最大功率密度和能耗指标EEO分别为0.55 V、0.34 W m-2和1.18 kWh m-3,表明了体系对难降解有机污染物的低能耗、高效去除。（4）通过调控催化剂配比优化了 CNF-CFO/PM阴极膜的催化和抗污染性能。由于微生物具备适于长期运行的优势,利用活性炭负载产电微生物作为阳极,构建了催化阴极膜-微生物燃料电池体系（CM-MFC）,并采用石英砂分隔层（QSL）代替传统的质子交换膜分隔阳极室和阴极室。考察了水力停留时间对体系处理高浓度实际焦化废水性能的影响,当水力停留时间为36 h时CM-MFC对焦化废水的处理性能最优,COD从原始的4325.0-5074.3 mg L-1降至50.0-92.8 mg L-1,并在生物阳极的驱动下稳定输出0.40 V的电压。微生物高通量测序结果表明,阳极富集的产电菌能够与其他厌氧菌共存,降解焦化废水中污染物的同时传递电子,并协同阴极催化过滤过程提高出水水质。该体系采用廉价的QSL显著降低了微生物阳极燃料电池的造价和废水处理成本。