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作为一种能够降解污染物同时获得电能的装置,微生物电化学系统的实际应用一直受困于其较低的输出功率密度和系统较长的启动时间。阳极作为富集电活性微生物的载体,起到接收胞外电子、传递胞外电子的作用,因此对系统性能的影响很大。传统的阳极材料如石墨棒、碳布、碳毡等,微生物不能够进入材料的结构内部生长,降低了微生物的富集量。本文以微生物电化学系统阳极为研究对象,通过制备三维结构阳极材料提升微生物富集量达到提升系统性能的目的,同时通过引入含氧和含氮官能团对材料表面进行改善,考察材料中官能团引入对系统性能及系统稳定期生物膜结构的影响。首先本文制备出表面具有亲水特性的三维结构石墨烯材料,当用作MES阳极材料时发现系统性能随着材料表面亲水性的提升而增强,由于三维片层结构为微生物的富集提供了更多的附着位点且电极材料表面亲水性的提升增加了材料表面的生物亲和性,使得较亲水的阳极表面产生物种多样性更丰富的生物膜并富集数量更多的微生物（3.68 mg/cm3）,亲水性最优的阳极系统最大输出功率密度可达到9.43 W/m3,最大输出电压可达到490 mV,系统库伦效率可达到38.3%;同时发现该种材料亲水性与材料中所含碳氧元素含量有关,材料中氧碳元素含量比值越大,材料的亲水性越好。通过在前驱液氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管制备碳纳米管/石墨烯复合气凝胶,碳纳米管作为石墨烯片层间的插层物改善了片层堆叠的问题,同时三维材料中碳纳米管的引入增加了电子在材料内部的传递,并促进产电菌产生“纳米导线”,系统最大输出电压较单一石墨烯气凝胶电极提升了70 mV,最大输出功率密度提升5.9 W/m3;同时两类官能团的引入（含氧官能团:羟基、羧基;含氮官能团:氨基）增加了材料表面的亲水性,用作MES阳极材料时,相对于未改性碳纳米管复合气凝胶系统启动时间分别缩短92 h、93 h和25 h;此外,-COOH和-NH2两种官能团可以促进电极表面上电活性微生物Geobacter的富集,富集比例依次提高3.2%和10.4%。