质子交换膜（PEM）作为微生物燃料电池（MFC）的重要组成部分,其性能直接影响着电池的产电效率和污水净化结果。基于MFC的工作原理和对质子交换膜的性能要求,PEM需要满足成本低、亲水性好、机械强度高、耐高温、耐腐蚀和抗污染性强等条件。目前商用较多的质子交换膜为Nafion膜,但是该膜制备成本较高,具有较高的氧气透过率,且制备工艺复杂。因此考虑使用机械强度高、化学性能稳定、热稳定性好的膜材料PVDF来取代Nafion膜。由于PVDF材料的疏水性,其在MFC运行过程中易受到生物污染,因此需要对PVDF质子交换膜材料进行改性以得到满足要求的质子交换膜。本论文针对适用于MFC的PVDF质子交换膜综合性能提升进行了较为系统的深入研究,得到的主要成果如下:（1）实验中使用正硅酸乙酯通过原位水解的方式将SiO₂穿插到磺化氧化石墨烯（SGO）上,得到亲水的三维纳米颗粒SGO@SiO₂。使用透射电镜（TEM）、傅里叶漫反射光谱仪（FTIR）、X射线衍射分析仪（XRD）、拉曼光谱仪（Raman）、孔径比表面积分析仪（BET）对杂化颗粒进行表征,确定了性能优良的复合颗粒SGO@SiO₂的成功制备。（2）将性能优良的SGO@SiO₂与自制PVDF-g-PSSA均聚物共混制备了新型复合质子交换膜SGO@SiO₂/PVDF-g-PSSA。研究了添加SGO@SiO₂颗粒的优化条件,并使用XRD、AFM和SEM对膜的结晶度、膜表面粗糙程度和断面结构进行了表征。当SGO@SiO₂颗粒添加量为1.0%时,复合质子交换膜的亲水接触角降低了22%、含水率提高了40%、溶胀率提高28%、断裂强度提高到37.3 MPa、IEC达到2.2 mmol/g、质子传导率为0.069 S/cm,氧气渗透率降低为0.02 mg/（L·m²/·d）,即复合膜的综合物理化学性能达到最优。主要原因是同时受到了SGO和SiO₂的影响。SGO中-SO₃H的引入提高了复合膜的质子传导能力,亲水性的-SO₃H增加了复合膜的含水率,同时SGO较高的比表面积有利于抑制SiO₂之间的团聚。而SiO₂的引入能够提高复合膜的保湿性,抑制膜的溶胀,增强复合膜的机械强度。但是,当复合颗粒的添加量超过1.0%时,由于受到颗粒“位阻效应”的影响,复合质子交换膜的综合性能下降。（3）利用耗散型石英晶体微天平（QCM-D）技术对膜的抗污染性进行了深入解析。QCM-D结果表明复合膜在纯水中对BSA的吸附作用较弱,污染层结构比较松散,膜的抗污染能力增强。主要原因是加入亲水性SGO@SiO₂颗粒的复合膜的亲水性能得到提高,从而使得膜的抗污染性有所增强。（4）使用1.0%SGO@SiO₂/PVDF-g-PSSA膜的MFC系统在产电性能和COD去除率方面具有较好的表现,最大功率密度达到185 mW/m²,内阻为152Ω,COD去除率为75%,CE值为8.1%。且运行3个月后,使用SGO@SiO₂改性后的复合膜的MFC系统产电性能仍然高于使用基膜PVDF-g-PSSA的系统。而与商用Nafion-117膜的性能相比,SGO@SiO₂/PVDF-g-PSSA复合膜在物理化学性能都有所提高,因此有望替代高成本的Nafion-117膜。