基于生物质废弃物制备的生物炭被广泛应用于固碳、土壤改良以及污染修复等领域。近年来,研究发现生物炭输入土壤后,与土壤中的污染物以及微生物之间发生诸多界面反应,而这些反应均与其自身氧化还原性质密切相关。本论文研究了生物质源和热解温度对生物炭得失电子能力的影响;探讨了氧化还原官能团和碳结构对生物炭得失电子能力的作用机制;揭示了生物炭不可溶和可溶性组分对其得失电子能力的影响规律;最后,将生物炭应用于介导微生物还原铁矿和作为催化氧还原反应的电极材料。主要研究结果如下:（1）生物质源与热解温度对生物炭电子转移的影响。采用介导电化学的方法测定了小麦秸秆、大麦草、松木、杨木、猪粪和污泥六种常见代表性生物质在350℃-800℃之间七个热解温度下制备的生物炭的供电子能力（EDC）和得电子能力（EAC）。结果表明:生物炭均具有一定的得失电子能力,其供电子能力在0.26-1.83 mmol e^-（g生物炭）^-1范围内,得电子能力在0.20-0.77 mmol e^-（g生物炭）^-1范围内。就生物质源而言,植物类生物炭尤其是小麦秸秆和大麦草,具有较高的供电子能力,而猪粪和污泥生物炭供电子能力较低;生物质源对生物炭的得电子能力影响较小。就热解温度而言,低热解温度（350℃-650℃）制备的生物炭,其供电子能力占主导;较高热解温度（650℃-800℃）制备的生物炭,其得电子能力占主导。生物炭的供电子能力和得电子能力从低温到高温呈现“N”形的变化趋势。变异性分析结果表明,与生物质源相比,热解温度是影响生物炭得失电子能力的主导因素。（2）活性官能团对生物炭电子转移的影响。采用红外光谱、X射线光电子能谱分析、Boehm滴定和程序升温脱附联合质谱分析等仪器手段对生物炭的氧化还原官能团进行定性与定量化分析,进而揭示生物炭得失电子能力与氧化还原官能团之间的相关规律。结果表明,在低热解温度范围内（350℃-650℃）,生物炭的氧化还原官能团（O/C）含量与得失电子总量（EEC）呈线性相关（R²=0.952）。酚羟基（Ar-OH）是其主要的供电子基团,两者之间线性关系为:EDC=6.325[Ar-OH]（R²=0.884）;醌基（quinone）、羰基（carbonyl）和羧基（carboxylic acid）是其主要的得电子基团,其中羧基、羰基和醌基对生物炭得电子能力的贡献分别为4.3%-24.6%、0%-61.3%和32.6%-95.7%,其线性关系为:EAC=0.0113[carboxylic acid]+0.0792[carbonyl]+0.282[quinone]（R²=0.998）。在较高热解温度范围（650℃-800℃）,生物炭的氧化还原官能团含量极低,不再主导其得失能力;而类石墨结构开始主导生物炭的得失电子能力。（3）结构对生物炭电子转移的影响。通过拉曼光谱和X射线衍射分析计算出了热解温度高于650℃的生物炭类石墨结构边缘缺陷和晶体参数,进而揭示了生物炭得失电子能力和类石墨化结构之间的关系。结果表明,在热解温度高于650℃时,生物炭得失电子能力和类石墨晶体的横向尺寸L_a以及边缘缺陷I_D/I_G线性相关（EEC=0.199[L_a]+3.196[I_D/I_G],R²=0.804）,且类石墨结构的缺陷是其得失电子能力的主要来源。这是由于当热解温度高于650℃时,生物炭的类石墨晶体结构随热解温度迅速生长,同时杂原子（O、N、S、P等）缺陷增多,使得生物炭表面形成了丰富的富电子和缺电子缺陷活性位点,从而增强了生物炭的得失电子能力。（4）组分对生物炭电子转移的影响。将生物炭分为可溶和不可溶组分,并分别对其得失电子能力进行分析。结果表明,不可溶组分主导生物炭的得失电子能力,其供电子能力为0.063-0.855 mmol e^-（g生物炭）^-1,其得电子能力为0.211-0.871mmol e^-（g生物炭）^-1。此外,可溶性组分也具有一定的得失电子能力,其供电子能力为0.005-0.276 mmol e^-（g生物炭）^-1,其得电子能力为0.099-0.566 mmol e^-（g生物炭）^-1。本研究涉及的猪粪和污泥两种生物炭,其可溶性组分包括有机和无机成分,有机成分主要为类腐殖酸,无机成分中则含有变价金属Fe和Mn。低温（350℃-500℃）制备的生物炭,其得失电子能力由可溶性有机质和无机变价金属共同提供,具有较高的得失电子能力;当热解温度高于500℃时,有机成分消失,可溶性组分主要由无机成分构成,此时其得失电子能力仅由可溶性无机变价金属提供,因此其得失电子能力低于低温生物炭。污泥生物炭不可溶和可溶组分得失电子能力之和大于原污泥生物炭的得失电子能力,表明生物炭各组分在分离过程中会暴露出更多的得失电子活性位点。（5）生物炭对铁还原菌（MR-1）还原铁矿过程的影响。选取400℃和700℃两个热解温度制备的大麦草生物炭,探讨了其在微生物还原铁矿中的电子穿梭机制。结果显示,400℃和700℃的两种生物炭,均可以促进微生物MR-1对水铁矿的还原效果和还原速率,其还原效果分别由16.0%提高到35.9%和30.2%,还原速率（k值）由3.7×10^-3提高到9.21×10^-3和6.5×10^-3。此外,生物炭还促进了铁的形态转化,这主要是由于生物炭抑制了磁铁矿的团聚,使得更多无定型态磁铁矿形成。（6）生物炭作为电极材料催化氧气的还原反应。探讨了污泥、牛粪和木屑三种生物质在500℃-700℃制备的生物炭作为电极材料催化氧还原反应中的催化机制和潜在应用价值。结果表明,这三类生物炭均具有一定的催化能力,其电流密度范围为0.25-3.23 mA·cm^-2。生物炭电极的催化能力和电化学阻抗受制备温度和生物质源共同影响。随热解温度从500℃升高到700℃,污泥、牛粪和木屑生物炭电极的催化能力分别增加了8.1、3.2和7.0倍。这是由于随热解温度升高,生物炭芳香化程度增强,比表面积增大。对生物质种类而言,污泥生物炭催化氧还原能力较强、阻抗较小,且具有较高的电容容量,这是由于污泥生物炭具有过渡金属和氮等杂原子掺杂的类石墨结构,同时具有适当的介孔和大孔比率,从而有利于电子的传递和氧气的扩散。综上所述,与生物质源相比,热解温度是影响生物炭得失电子能力的主导因素,氧化还原官能团和碳结构共同决定了生物炭的得失电子能力。低温生物炭由于含有丰富的氧化还原官能团,具有“电池式”的电子传递机制,因此具有电子穿梭体的潜在应用价值;高温生物炭由于形成了类石墨结构以及边缘杂原子缺陷,具有“导电式”的电子传递机制和催化活性位点,因此是潜在的电极和催化材料。生物炭的不可溶和可溶性组分均具有得失电子能力,且两种组分分离后暴露出了更多的得失电子基团,因此当生物炭施加到土壤中时,随着其可溶性组分的溶出,其得失电子能力可能得到增强。生物炭由于具有氧化还原性质可以参与环境中诸多氧化还原界面反应,影响着环境中的生物地球化学过程。