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微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物的催化活性将有机物化学能转换为电能的新型电化学装置。MFC能够利用废水、海洋沉积物甚至外太空人类排泄物的能源，既能发电又达到环境治理的目的，引起人们越来越多的关注。但是，MFC的输出功率密度低，限制了其在实际生产中的应用。 细菌将有机物转变成电能主要涉及两大机理，生物膜机理和小分子氧化机理。据此，本论文提出对阳极材料表面进行亲水改性和引入催化剂，以提高MFC的功率输出。 将亲水性胶黏剂与碳纳米管复合，制备出均匀碳纳米管/聚乙烯醇(CNTs/PVA)和碳纳米管/聚双酚A-环氧氯丙烷(CNTs/PBE)电极材料;采用碳热还原结合原位聚合法，制备出碳化钼/聚多巴胺(Mo2C/PDA)催化剂。采用FTIR、TGA、SEM、接触角测试等分析测试手段，对制备材料进行表征;用密度泛函理论计算分析了相关机理;用制备材料制作出基于大肠杆菌的MFC，采用EIS、CA及电池放电实验等电化学，研究了电池的性能。 研究表明，亲水性胶黏剂，使阳极具有良好的生物相容性，有利于细菌在表面粘附并形成稳定的生物膜。使用CNTs/PVA和CNTs/PBE作为阳极催化剂的MFC最大功率密度分别可达1.631 W·m-2和1.921 W·m-2，而使用CNTs/PTFE作为阳极催化剂的MFC最大功率密度只有0.824 W·m-2。 纳米材料Mo2C/PDA展现了双功能电催化剂性能。作为非铂类阳极催化剂的MFC具有1.651 W·m-2的最大功率密度，而单纯使用Mo2C和裸碳毡作为阳极催化剂的MFC最大功率密度分别只有1.179 W·m-2和0.329 W·m-2。其优越的性能源于复合物Mo2C/PDA将有机物转化成电能过程中展现的双功能催化活性。一方面，纳米复合物Mo2C/PDA的亲水性能有利于生物膜的形成，促进细菌与电极间的电子传递;另一方面，Mo2C/PDA对细菌代谢产物氢气氧化具有一定的电催化活性。