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新世纪,随着能源匮乏和环境污染问题的加剧,新的能源开发和利用技术备受瞩目。微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是利用微生物作为催化剂将有机物中的化学能直接转变为电能的装置。微生物燃料电池技术独特的产能方式为实现合理解决能源危机以及水体污染问题提供了新的思路。目前,关于微生物燃料电池的研究尚处于起步阶段,微生物燃料电池技术的发展仍然面临许多挑战。其中,产电性能差是限制该技术商业化和工程实际应用的主要障碍。针对目前微生物燃料电池技术存在的主要问题,本论文以典型的大肠杆菌微生物燃料电池作为研究对象,首先抓住影响电池产电性能的关键,即电池阳极中微生物氧化底物产生电子以及电子传递的过程,进一步明确了电池阳极产电过程中的一些重要影响因素。然后,本论文成功构建起典型的双室型大肠杆菌微生物燃料电池,并从高性能电极材料的制备和应用出发,解决微生物燃料电池阳极和阴极中存在的问题和不足,提高电池的功率密度,改善电池的产电性能。具体来说本论文的研究结果概括如下: (1)细胞膜的导电性是电池阳极电子跨膜传递过程的重要影响因素,增加膜的导电性可促进电子的跨膜传递从而改善电池阳极的产电过程。(2)在电池阳极中,电极表面的电场效应对大肠杆菌在厌氧条件下直接氧化有机底物产生电流的过程具有较大影响。当阳极施加+0.5V的电压时,可对大肠杆菌的直接产电能力进行有效驯化,缩短大肠杆菌直接产电所需的时间,并同时大幅度地提高阳极产生的电流。(3)周期放电过程可提高大肠杆菌微生物燃料电池的产电性能。经过21次周期放电后全电池的内阻逐渐从6200Ω降低到300Ω,最大功率密度从7.16 mWm-2增大到726.85mWm-2。与常规运行模式下的电池相比,周期放电过程后的电池内阻降低了300Ω,电池的最大功率密度比常规模式高出了50%。(4)以碳纸表面负载铂修饰多壁碳纳米管复合物作为阳极构建电池可以极大的改善电池的产电性能。电池的开路电压,内阻和最大功率密度分别为:0.90V,200Ω和4302.22mWm-2。四个该类型的电池串联后可点亮一个发光二极管。此外,该类型电池的还具有稳定的放电性能,电池可负载500Ω恒定电阻运行三个小时不出现功率衰减。(5)二氧化锰修饰碳纳米管的复合物在中性的缓冲溶液中对氧气的还原反应具有较好的催化活性,当电压低于0.1V时,氧气的还原电流迅速增大,电压到达-0.2V左右时,出现氧气的还原电流峰。使用该复合物作为阴极材料构建微生物燃料电池时,电池的开路电压,内阻和最大功率密度分别为:0.76V,700Ω和1805.52mWm-2。该类型电池的开路电压和最大功率密度比阴极使用商业化Pt/C催化剂构建的电池还要高,这使二氧化锰修饰碳纳米管复合物可作为一种新型廉价高效的阴极材料替代昂贵的Pt/C催化剂。但是,该类型电池的内阻较大,放电性能较差,二氧化锰修饰碳纳米管复合物的导电性和稳定性仍需进一步改善。(6)酞菁铁衍生物,iron(III)tetrasulfophthalocyanine(FeTSPc)能够通过π-π共轭作用吸附到单壁碳纳米管(SWCNTs)表面形成FeTSPc/SWCNTs复合物。该复合物对氧气的还原具有很好的催化活性,电压低于0.2V时就会出现氧气还原反应的响应电流,电压达到-0.02V左右时出现氧气的还原电流峰。使用FeTSPc/SWCNTs复合物作为阴极催化剂构建的微生物燃料电池,开路电压可达0.77V。电池的内阻和最大功率密度分别为:400Ω和1898.90mWm-2。负载500Ω恒定电阻时,电池能够稳定运行140分钟不出现功率衰减。电池中,使用FeTSPc/SWCNTs复合物催化剂的效果比使用Pt/C催化剂的效果好。