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随着环境污染与能源危机的不断加重,对于新型能源技术的开发逐渐成为环境能源领域的研究热点。光催化燃料电池技术属于新兴的能源与环保技术,具有难降解物质处理和同步能源化的特点,被认为在水处理领域具有巨大的发展潜力。目前,光催化燃料电池在电极开发、反应器构型设计和运行机制方面均已取得较大的突破。但是,目前的光催化燃料电池仍然存在很多的问题。首先,光催化可以无选择性的降解难降解物质,但是受限于高的光生电子和空穴复合效率,降解效率仍然有待提高。其次,对于电极构建时阴极系统的研究较少,缺乏运行性能稳定的、环境亲和力强的、面向于实际应用的阴极系统。本研究围绕构建高效光催化燃料电池并强化光阳极对目标污染物的去除效率展开,并通过寻求有效方式降低阳极的光生空穴和电子分离效率来提高阳极性能。同时,寻求生态友好的阴极系统,并与光阳极相结合来实现电池的长期稳定运行。以开发结构稳定、机械性能适宜和催化性能优异的光阳极为目的,以钛网为基底,利用阳极氧化法制备了具有三维结构的TiO2纳米管阵列,生成的TiO2纳米管排列有序、呈管状环绕生长于圆柱形钛丝上。纳米管平均直径为500 nm,长5μm,呈现出良好的辐射状三维结构。XRD分析结果显示TiO2纳米管主要是以锐钛矿的晶型存在。该电极具有很好的光响应特性,LSV结果显示在无光照条件下电极没有显著的电流生成,在光照条件下,能够获得的最大电流为3.1 mA。同时,该电极显示出极佳的瞬时光响应特性,即在接受紫外光的照射,瞬间产生光电流响应,在失去紫外照射,光电流迅速消失。此外,该电极具有长期运行的稳定性,多次使用后仍然能够获得90%的目标污染物去除效率,SEM结果显示,纳米管阵列的微观结构未发生显著的改变,是保证该电极长期稳定运行的根本因素。这些结果显示出,以钛网为基底的Ti/TiO2电极能够很好地满足后续光催化燃料电池对光阳极高效和稳定性能的要求。以利用盐差能提高光催化燃料电池的光阳极性能和电池产电性能为目的,构建了三室光催化燃料电池,该系统利用各腔室的盐浓度差产生的偏压提高电池的产电性能,继而促进光阳极中光生载流子分离,最终增强光阳极的降解效率和电子输出速率。当盐浓度从5 g/L增加到45 g/L,系统的平均输出电压从270 m V增加到500 m V,最大功率密度从170.0 m W/m2迅速增加到319.7m W/m2。通过对电极电位进行监测发现,不同盐浓度下的系统阴极电位保持相对的稳定,输出电压差异主要是由于阳极电位的变化造成的。同时,光阳极室的罗丹明B（Rh B）降解动力学系数k随着中间室盐浓度的增加从0.0333min-1增加到0.0505 min-1。通过与对照组的双室反应器对比,三室系统在电能输出和污染物降解方面均优于对照组反应器,显示出三室系统内盐度差的存在能够有效地提高系统的整体性能。构建基于电能原位利用的光催化燃料电池系统,利用电容电路首次实现电池产能的回收和重新利用。利用电路的间歇充电放电过程,提高电池的输出电流从而强化阳极光催化性能。随着充放电频率从Ts=10 min提高至Ts=1 min,电池的电流输出由1.86±0.02 A/m2提高至2.58±0.08 A/m2,而阳极室内的Rh B降解动力学常数k也从0.03879 min-1增加到0.05931 min-1。通过与使用电阻进行稳态运行的系统进行对比发现,间歇的充放电过程能够有效地提高电池的电流输出（稳态运行时输出电流为0.80±0.02 A/m2）,从而强化光阳极对污染物的去除速率(稳态运行时k=0.0281 min-1)。通过光沉积法制备Ag掺杂的TiO2光电极,SEM-EDX表征发现纳米Ag颗粒以高度分散的方式附着于TiO2管口和管壁上,平均重量百分比达到27.59%。HRTEM表征结果显示出了纳米Ag颗粒清晰的晶格条纹,其平均粒径为20 nm。UV-vis光谱和PL光谱分别显示出该载银光电极可以将光谱吸收范围扩展至可见光区域,且光生电子和空穴的分离效率大大提高,显示出提高的光催化性能。将光催化技术与生物阴极相结合,构建生物阴极光催化燃料电池系统,突出光催化降解难降解物质,以及生物阴极稳定运行和环境亲和力强的特性。Ag/TiO2光阳极对目标污染物Rh B的降解动力学系数k为0.0451 min-1,高于使用未掺杂纳米Ag的TiO2光阳极的0.0301 min-1。使用Ag/TiO2光阳极的电池在稳定运行条件下产生的电压为396.47±3.99 m V,高于使用TiO2光阳极时产生的电压（306.32±11.1 m V）。在功率输出方面,使用Ag/TiO2光阳极的电池产生的最大功率密度为318.19 m W/m2,比使用TiO2光阳极的电池高57.09%。生物阴极群落分析证明了其中含有大量的电化学活性微生物,包括不动杆菌属Acinetobacter sp.,希瓦氏菌属Shewanella sp.,硝化细菌nitrifiers（包括硝化螺菌属Nitrospira sp.,硝化菌属Nitrobacter sp.以及亚硝化球菌属Nitrosococcus sp.）构成了阴极氧还原反应的催化剂来保证阴极功能的行使。