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微生物燃料电池(MFCs)利用微生物为催化剂能同时实现污水处理和电能回收，因而具有潜在的应用价值。自从1911年发现生物电流的现象以来，MFCs的研究经历了近百年的缓慢进展和过去十五年的快速发展，在反应器构型、材料、微生物和电化学等方面，取得了大量的进展。然而，MFCs依然面临着低的功率密度和胞外电子转移(EET)等瓶颈问题。阳极作为产电菌的附着体，不仅影响着生物膜的生长，还影响电子从产电菌到阳极的传递，从而很大程度地决定MFC阳极的产电过程，进而影响整个系统的性能。因此，设计高效的三维(3D)阳极材料是提升MFCs性能和能源转化的核心之一。
为了改善碳基阳极与微生物的相互作用，本论文设计和制备多孔碳基阳极材料，通过调控碳基阳极材料的物化特性，实现了产电微生物的快速富集，进而探究材料的界面性质与组成结构对促进微生物EET的影响机制。具体研究内容如下：
采用廉价、易得的面包作为构筑碳基阳极的原材料，经过简单的焙烧，得到了多种杂原子(氮、磷和硫)掺杂的多孔碳(简称为NPS-CFs)。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附脱附仪(BET)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线粉末衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)等技术手段对其化学组成和物理特性进行了表征，系统地探究了焙烧温度等条件对其微观结构以及化学组成的影响。结果表明，1000℃碳化得到的多孔碳(NPS-CF-1000)阳极具有最大的比表面积和丰富的孔结构、最优的杂原子掺杂量以及优异的机械强度和好的生物相容性。
为了进一步控制微生物在阳极材料内的分布，采用硬膜板法，通过自组装制备出一种新型、高效的3D有序多孔碳(简称为3D-OPC-x,x代表焙烧温度)。在此基础之上，为了进一步促进微生物和电极之间电子有序、定向、持续的传输，在3D-OPC-x结构中引入导电聚苯胺纳米结构(简称为3D-OPC-900/PANI)。通过SEM、TEM、XRD、Raman、BET、XPS以及原子力显微镜(AFM)等技术手段，研究了3D-OPC-x和3D-OPC-900/PANI阳极材料的宏观空间结构和微观孔径分布、化学组成以及和物理特性。研究表明，3D有序多孔碳和3D-OPC-900/PANI具有连续贯通的三维结构以及优异的导电性能。
研究了碳基阳极材料的表面组成和结构对MFCs启动周期、功率密度、内阻以及微生物膜伏安行为的影响。NPS-CFs、3D-OPC以及3D-OPC-900/PANI表现出快速的启动周期、高的功率。相比NPS-CFs，3D-OPC-900/PANI中导电聚苯胺(PANI)的引入对产电微生物产生了“虹吸”效应，电池在接种2-3天后就开始启动，与传统碳电极相比启动周期缩短了67%。同时，得益于合理有效的纳米结构设计，3D-OPC-900/PANI复合阳极展现出极高的体功率密度和电压，超过了商业碳布(CC)和NPS-CFs，表明3D-OPC-900/PANI能够实现对产电微生物的快速富集并展现优异的电池性能。阳极上微生物膜的伏安行为研究表明，NPS-CF-1000、3D-OPC-900和3D-OPC-900/PANI阳极的峰电流与扫描速率之间成正比，表明在这些阳极上MtrC的氧化还原反应表现为表面吸附物的氧化还原过程。然而，CC阳极表面生物膜的峰值电流与扫描速率的平方根成线性关系，表明OmcA的氧化还原反应受制于扩散控制过程。上述研究表明NPS-CFs、3D-OPC以及3D-OPC-900/PANI电极与微生物膜具有更好的接触，从而有效地促进了微生物EET过程。使用NPS-CFs和3D-OPC-900/PANI作为微生物燃料电池阳极，实现了利用微生物对有机物去除，其中NPS-CFs阳极组装的电池中COD去除率为64.9%，而3D-OPC-900/PANI作为阳极的MFCs装置其COD去除率为68.9%。此外，同时，NPS-CFs阳极组装的电池可以成功地驱动了实际器件——电磁玩具，而3D-OPC-900/PANI作为阳极的MFCs装置首次成功地点亮了以HIT为序列的LED灯。
研究了碳基阳极的表面组成和结构对微生物菌落组成、分布以及生物相容性的影响。结果表明，碳基阳极的化学组成和理化性质影响了其表面微生物菌落结构组成的分布。相比于NPS-CFs阳极，3D-OPC和3D-OPC-900/PANI阳极更有利于导电细菌-地杆菌的富集。同时，3D-OPC-900/PANI阳极生物膜的SEM结果中有纳米导线存在，证实了微生物和电极之间直接电子传输路径。共聚焦显微镜(CLSM)的结果表明，相比于商业CC而言，NPS-CFs、3D-OPC和3D-OPC-900/PANI阳极都具有好的生物相容性。
为了改善碳基阳极与微生物的相互作用，本论文设计和制备多孔碳基阳极材料，通过调控碳基阳极材料的物化特性，实现了产电微生物的快速富集，进而探究材料的界面性质与组成结构对促进微生物EET的影响机制。具体研究内容如下：
采用廉价、易得的面包作为构筑碳基阳极的原材料，经过简单的焙烧，得到了多种杂原子(氮、磷和硫)掺杂的多孔碳(简称为NPS-CFs)。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附脱附仪(BET)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线粉末衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)等技术手段对其化学组成和物理特性进行了表征，系统地探究了焙烧温度等条件对其微观结构以及化学组成的影响。结果表明，1000℃碳化得到的多孔碳(NPS-CF-1000)阳极具有最大的比表面积和丰富的孔结构、最优的杂原子掺杂量以及优异的机械强度和好的生物相容性。
为了进一步控制微生物在阳极材料内的分布，采用硬膜板法，通过自组装制备出一种新型、高效的3D有序多孔碳(简称为3D-OPC-x,x代表焙烧温度)。在此基础之上，为了进一步促进微生物和电极之间电子有序、定向、持续的传输，在3D-OPC-x结构中引入导电聚苯胺纳米结构(简称为3D-OPC-900/PANI)。通过SEM、TEM、XRD、Raman、BET、XPS以及原子力显微镜(AFM)等技术手段，研究了3D-OPC-x和3D-OPC-900/PANI阳极材料的宏观空间结构和微观孔径分布、化学组成以及和物理特性。研究表明，3D有序多孔碳和3D-OPC-900/PANI具有连续贯通的三维结构以及优异的导电性能。
研究了碳基阳极材料的表面组成和结构对MFCs启动周期、功率密度、内阻以及微生物膜伏安行为的影响。NPS-CFs、3D-OPC以及3D-OPC-900/PANI表现出快速的启动周期、高的功率。相比NPS-CFs，3D-OPC-900/PANI中导电聚苯胺(PANI)的引入对产电微生物产生了“虹吸”效应，电池在接种2-3天后就开始启动，与传统碳电极相比启动周期缩短了67%。同时，得益于合理有效的纳米结构设计，3D-OPC-900/PANI复合阳极展现出极高的体功率密度和电压，超过了商业碳布(CC)和NPS-CFs，表明3D-OPC-900/PANI能够实现对产电微生物的快速富集并展现优异的电池性能。阳极上微生物膜的伏安行为研究表明，NPS-CF-1000、3D-OPC-900和3D-OPC-900/PANI阳极的峰电流与扫描速率之间成正比，表明在这些阳极上MtrC的氧化还原反应表现为表面吸附物的氧化还原过程。然而，CC阳极表面生物膜的峰值电流与扫描速率的平方根成线性关系，表明OmcA的氧化还原反应受制于扩散控制过程。上述研究表明NPS-CFs、3D-OPC以及3D-OPC-900/PANI电极与微生物膜具有更好的接触，从而有效地促进了微生物EET过程。使用NPS-CFs和3D-OPC-900/PANI作为微生物燃料电池阳极，实现了利用微生物对有机物去除，其中NPS-CFs阳极组装的电池中COD去除率为64.9%，而3D-OPC-900/PANI作为阳极的MFCs装置其COD去除率为68.9%。此外，同时，NPS-CFs阳极组装的电池可以成功地驱动了实际器件——电磁玩具，而3D-OPC-900/PANI作为阳极的MFCs装置首次成功地点亮了以HIT为序列的LED灯。
研究了碳基阳极的表面组成和结构对微生物菌落组成、分布以及生物相容性的影响。结果表明，碳基阳极的化学组成和理化性质影响了其表面微生物菌落结构组成的分布。相比于NPS-CFs阳极，3D-OPC和3D-OPC-900/PANI阳极更有利于导电细菌-地杆菌的富集。同时，3D-OPC-900/PANI阳极生物膜的SEM结果中有纳米导线存在，证实了微生物和电极之间直接电子传输路径。共聚焦显微镜(CLSM)的结果表明，相比于商业CC而言，NPS-CFs、3D-OPC和3D-OPC-900/PANI阳极都具有好的生物相容性。