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微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFC)是利用微生物作为反应催化剂,将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。MFC能在处理废水的同时产生电能,且不排放污染物,作为一类理想的新型清洁能源已成为人们研究的热点。一直以来,功率问题是影响MFC发展的瓶颈。究其原因,主要是由于阳极表面微生物的附着量较少以及微生物与电极之间的电子传递过程缓慢限制了MFC的电流产生和功率输出。阳极作为产电微生物附着的载体,不仅影响产电微生物生物膜的形成,同时还影响电子从微生物向阳极的传递,对提高MFC产电性能有着至关重要的影响。寻找兼具高性能和好的生物相容性,且成本低的阳极材料,并将它们用于MFC阳极来提高MFC的产电能力,必将进一步推动MFC的应用。本论文正是在这一研究背景下,将纳米技术、电化学技术、生物技术有机结合起来,致力于研发基于石墨烯复合物的纳米材料为阳极的MFC。主要内容如下:1.石墨烯/纳米金复合物用于MFC阳极修饰将石墨烯/纳米金复合物(G/Au)用于微生物燃料电池(MFC)阳极修饰。相比于传统的碳纸(CP)和石墨烯(G)修饰的碳纸(CP/G)阳极材料,以G/Au修饰的碳纸(CP/G/Au)为阳极时的MFC性能有了显著的提升。由于石墨烯和纳米金的协同效应,使得该复合材料具有更大的活性面积,良好的生物相容性以及优越的导电性,有利于细菌的附着,提高了细菌与电极之间电子的转移效率。2.离子液体功能化石墨烯用于微生物燃料电池阳极的研究利用微波水热法快速、绿色地合成出带正电荷的离子液体功能化的石墨烯(IL-GNS)纳米材料,并将其应用于MFC阳极来提高微生物的附着量。以Shewanella oneidensisMR-1模式菌为阳极催化剂,用于验证所构建的MFC具有高产电性能和功率输出。由于产电微生物MR-1带负电,通过静电吸引作用,表面带正电荷的IL-GNS加速了微生物在电极表面的附着,高效地形成生物膜,缩短了启动MFC达到最大输出电流所需要的时间,显著地提高了电流和功率密度。同时,石墨烯本身具有大的比表面积和好的导电性,有利于电子的快速接收和传递。本研究证明了带正电荷的IL-GNS可以作为MFC中一种优良的阳极材料,为合成其他基团功能化的带正电荷的石墨烯以及开发利用于MFC阳极提供了一种新途径。3.石墨烯纳米带/聚苯胺复合材料在微生物燃料电池阳极修饰中的应用通过化学氧化切割多壁碳纳米管(MWCNTs)的方法,成功地合成出石墨烯纳米带(graphene nanoribbon,GNRs),制备了 GNRs 修饰的碳纸(CP/GNRs)电极。然后,在CP/GNRs电极表面电化学聚合了三维的PANI纳米材料,即得到了 CP/GNRs/PANI电极并将其用于MFC阳极。由于在中性溶液中,PANI的导电性不好,所以,GNRs的引入不仅提高了电极的导电性,还增加了电极的活性面积和水溶性,为PANI的聚合提供位点;另一方面,由于电聚合得到的三维网状结构的PANI具有大比表面和主链带有正电荷,有利于微生物的附着和电子媒介体的快速传递,加速了微生物和电极之间电子的传递过程。所以,GNRs和PANI两者的协同作用显著地提高了 MFC的电流密度和输出功率密度。4.新型石墨烯/二氧化钛复合材料用于微生物燃料电池阳极通过微波水热合成方法、一步法成功地合成了石墨烯/二氧化钛(G/TiO2)复合物,并将其应用于MFC阳极材料。结果表明,制备的G/TiO2复合物具有高的比表面积、优异的导电性、大的孔容容量和好的生物相容性,作为阳极材料极大地增加了微生物在电极表面的附着量和提高了微生物与电极之间电子的传递效率,提升了 MFC的功率输出,证明G/TiO2复合物在MFC阳极材料方面具有广泛的应用前景。