微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是近年来在环境保护和能源领域兴起的一项绿色产电新技术，它通过电活性微生物不断地从有机废物中提取能量并将其转化为电流，是与传质学、微生物学、电化学、材料科学和环境工程学等科学领域交叉融合而发展起来的一种全新的电能生产技术。MFC技术在污水处理、污染物处理、电解制氢、脱盐海水淡化、CO_2转化和微生物传感器等方面具有巨大的应用前景。


近年来，MFC技术受到广泛的关注。然而，能量密度低成为限制其实际应用的最大障碍。MFC阳极作为电活性生物膜生长和电子收集的部位，其表面性质(比表面积、导电性、生物相容性等)和其表面生物膜对它的性能有着直接而重要的影响。因此，优化阳极和阳极生物膜对提高整个MFC的功率密度输出具有非常重要的作用。本文针对阳极电极和阳极生物膜，展开以下两个方面的研究:阳极电极的优化和阳极电活性生物膜内部过程的表征。具体的研究工作如下:(1)三维大孔不锈钢纤维毡(SSFF)电极及其改性的研究。本文利用商用羧基化石墨烯(GN)、电化学法制备石墨烯(rGO，恒电位法)、碳纳米管(CNT)、活性炭(AC)和聚苯胺(PANI)对SSFF三维大孔电极表面进行修饰。GN/SSFF-MFC和rGO/SSFF-MFC产生的最大功率密度分别为2142 mW/m~2和2393 mW/m~2，高于CNT/SSFF-MFC(1280 mW/m~2)、AC/SSFF-MFC(560 mW/m~2)和PANI/SSFF-MFC(360 mW/m~2)。


实验结果表明:纳米颗粒修饰SSFF表面，改善了电极表面的生物相容性，增大了电极的电活性面积，使更多的产电微生物能够在阳极上附着和生长。同时，石墨烯由于其自身优异的物化性质(优异的导电性和高的比表面积等)进一步提高了MFC的能量输出。实验中，比较了rGO负载量(0.25 mg/cm~2、0.68 mg/cm~2和1.26 mg/cm~2)对电极性能的影响。结果显示，当负载量为0.68mg/cm~2，MFC的输出功率密度最高(2393 mW/m~2)。说明rGO负载量存在一个使电极和MFC性能最优的最佳值;(2)电活性生物膜内部传递现象的研究。搭建微电极测试系统平台，利用尖端为50μm的pH微电极测试阳极生物膜、浓度边界层和主体溶液中的pH-深度分布曲线，该曲线呈现“S”形。研究发现:随着电流密度的不断升高，生物膜厚度不断增加，生物膜内部和主体溶液中的pH值不断减小，主体溶液与生物膜底部之间的pH差值不断增大。当电流密度上升到10.23 A/m~2(455 h)时，主体溶液与生物膜底部之间的pH差值增加到1.33，此时累积在阳极生物膜底物的H~+浓度是主体溶液中的21.4倍。


缓冲溶液实验结果表明，在低缓冲溶液浓度条件下，H~+在生物膜内累积速率加快。使用25 mM缓冲溶液时，生物膜底部的pH值降低到最小，为4.91;(3)电活性生物膜厚度和电流密度之间关系的研究。对pH值-深度分布曲线进行一阶求导分析，得到了阳极生物膜厚度和膜内平均pH值与电流密度之间的关系。提出了一种根据pH-深度变化曲线估算阳极生物膜厚度的方法。研究表明:生物半电池的电流密度从1.27 A/m~2上升到10.71 A/m~2时，阳极生物膜厚度从90μm增加到325μm，膜内的平均pH值从7.29下降至5.88，这说明生物膜内积累的质子浓度增加了47倍(1.68 pH units)。


综上所述，本文将SSFF首次应用到MFC中，提出利用纳米材料修饰SSFF三维大孔不锈钢纤维毡电极来改善MFC阳极性能的方法，构造了一种新型的三维大孔阳极结构。三维大孔SSFF使阳极具有开放的三维大孔结构，产电微生物和底物可以通过大孔进入到电极内部，避免了电极内部结构的浪费，提高了底物的氧化速率，增加了生物膜/电极界面上的电子传递速率;其次，提出了一种基于阳极生物膜内质子浓度分布确定生物膜厚度的方法，首次对生物膜内部pH值随生物膜深度方向上的变化规律进行了测试，并提出了一种新的原位阳极生物膜厚度的估算方法，估算了阳极生物膜的厚度以及膜内的平均pH值;最后，从实验上确认了阳极生物膜内平均pH值与电流密度之间的关系，该关系可以拟合成简单的线性函数，并给出了拟合公式。