随着环境与能源问题日益严重，对清洁、可再生能源的开发和利用逐渐成为研究热点。光催化与微生物燃料电池同属于新兴的能源与环保技术，二者功能相似，同时具有各自的优点与弊端。光催化可以无选择的降解污染物质，但受限于高的空穴/电子复合几率，微生物燃料电池的污染物局限于生物相容性物质，功率输出低，生物阴极的电子传递机制尚不明确。本文围绕生物阴极微生物燃料电池的产电机制与污染物去除效能展开研究，并寻求有效地方式与光催化技术相耦合，使二者扬长避短，提高污染物降解性能，强化系统的产电性能。间歇流运行的生物阴极微生物燃料电池获得的最大功率密度为15.37 W/m3，氨氮硝化率接近100%。电化学性能分析表明生物阴极具有良好的氧气还原催化活性和双电层电容特性。生物阴极的催化反应与微生物的代谢活性之间存在着密切的相互作用，阴极反应依赖于微生物的代谢活性，同时外电路电子可以作为微生物生长代谢的能源，在一定程度上促进阴极硝化反应。


生物相分析结果表明，氨氧化菌(Nitrosomonas sp.)和亚硝酸亚氧化菌(Nitrospira sp和Nitrobacter sp.)在硝化型生物阴极中起到重要作用。由于向阴极提供了大量的有机物质，连续流的运行方式提高了生物阴极微生物燃料电池的反硝化效果，从而实现了同步碳氮去除。阴离子交换膜的使用有利于硝酸根向阳极的迁移，TN去除率由49%提高到80%，然而阴离子交换膜容易受到微生物的污染，阴离子的结构复杂，迁移阻力大，造成功率密度降低，不宜作为分隔材料。曝气速率对系统的产能和COD的去除影响不大，但严重制约着硝化效率，曝气速率0.6 L/min是保证氨氮的高硝化率的必要条件。COD/TN同时影响着系统的TN去除和功率输出。COD/TN为26.5时，TN去除率获得最大值(87.2±1.9%)，当COD/TN为33.1时，阴极的氧气还原催化活性出现明显下降。


本文将生物阴极与光催化阳极耦合构建了生物阴极–光催化燃料电池(BioPEC)，同时利用光催化对难降解污染物的快速氧化和生物阴极的廉价、高效与可再生性，Bio-PEC获得的最大功率密度为211.32±3.54 mW/m2，甲基橙降解速率为0.0120 mg/(L·min)。Bio-PEC可以利用各种有机废水进行产电，光催化阳极室废水较高的pH值和厌氧条件有利于提高功率输出，为了保证溶液离子迁移速率，废水的电导率不应低于10~15 mS/cm。为了同时回收光催化产生的电子与微生物氧化产生的电子，本文提出了光催化电池(PEC)与微生物燃料电池的两种耦合方式。在复合阴极耦合模式中，铂碳阴极PEC(Pt/C-PEC)的连接大大降低了铂碳阴极MFC(Pt/C-MFC)的阳极电位，功率密度由780 mW/m2提高到1098 mW/m2。而在复合系统中，Pt/C-PEC回路产生的电流由150μA下降到20μA，甲基橙降解速率由0.0082 min-1下降到0.0007min-1，说明系统通过牺牲Pt/C-PEC的性能提升了Pt/C-MFC的性能。


通过将TiO2光催化阳极与微生物阳极共用同一个阴极的连接方式，构建了复合阳极光催化–微生物燃料电池，实现了光能与生物能的同时利用。基于Pt/CPEC与Pt/C-MFC功率输出特性的不同，Pt/C-PEC的连接有效地提高了Pt/CMFC的阴极电位与功率输出。Pt/C-MFC性能的提高以Pt/C-PEC性能的小幅度下降为代价，系统整体性能较单独Pt/C-MFC有明显提高。该种耦合模式还在生物阴极微生物燃料电池中得到验证，可以缓解生物阴极在运行不良情况下产生的电位波动，提高生物阴极的性能。