微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）是材料科学、微生物学、生物化学、电化学、传质学、燃料电池科学和新能源技术等科学领域交叉融合而发展起来的一种利用废水中的有机质获取电能的前沿电能生产与污水处理技术。由于微生物燃料电池是一项跨学科技术,所以系统学习和理解交叉学科知识对研究微生物燃料电池的性能优化具有重要意义。本课题首先对微生物燃料电池相关基础理论知识进行了梳理总结,然后利用相关理论知识作为指导,确定阳极优化的具体研究方向。对MFC现有基础理论的归纳总结工作包括四个部分。一是微生物燃料电池的热力学基础,对本研究中实验用的阳极和阴极进行理论最大电压的计算;二是微生物燃料电池的产电机理,包括产电菌内的生物氧化过程和产电菌外的电子传递机理;三是微生物燃料电池的电化学极化现象,以及讨论各类型内阻的来源与构成,由此分析降低内阻的有效途径;四是微生物燃料电池内部的传质现象描述。本课题共制备了两种MFC阳极的修饰材料,实验结果表明两者皆可有效提高MFC性能,具体研究内容如下:（1）将含氮量高的生物质原料蒲公英种子进行一步碳化和KOH活化,制备了具有高比表面积的自掺杂氮碳纳米片（N-CNS）,并将蒲公英种子不经KOH活化直接碳化制备的多孔碳（N-UA-CNS）,两者皆用于MFC阳极碳布修饰材料,并表征其材料性能和对MFC性能的影响。表面形貌测试表明,N-CNS和N-UA-CNS都具有大量的多孔结构,并且N-CNS的孔大小比起N-UA-CNS更适宜产电菌的附着生长。同时,N-CNS的BET比表面积为2107.5 m²?g^-1,高于N-UA-CNS的,这可能是KOH活化作用的成孔反应造成的结果。EIS测试表明两者欧姆内阻相差不大,活化阻抗差异很大,N-CNS-CC的活化阻抗为2.7Ω,N-UA-CNS-CC的活化阻抗为4.0Ω,都小于空白碳布（CC）的。N-CNS-CC为阳极的MFC在启动时间,输出电压稳定性和最高输出电压上都表现出明显优势,并且最大功率密度为1122.41 m W?m^-2,是N-UA-CC为阳极的MFC的最大功率密度的1.3倍,CC为阳极的MFC的最大功率密度的1.6倍。以上结果说明N-CNS能显著提升MFC阳极性能,生物质原料价廉易得,无需额外步骤即可达到自掺杂氮的目的,实际化应用前景广阔。（2）以沸石MCM-22为模板,镍离子为催化剂,蔗糖为碳前驱体制备了多孔碳材料（PC）和模板材料被混酸溶液刻蚀之前的中间产物（Ni-MS-PC）,两者皆用于MFC阳极碳布修饰材料,并表征其材料性能和对MFC性能的影响。表面形貌测试表明PC为微米级片状结构。PC的BET比表面积测试为578.66m²?g^-1,高于Ni-MS-PC的。EIS测试结果表明PC修饰碳布（PC-CC）和Ni-MS-PC修饰碳布（Ni-MS-PC-CC）的活化内阻仅为2.6Ω和3.2Ω,都小于CC。CV测试结果中,PC-CC和Ni-MS-PC-CC的响应电流较CC略有增大。这说明修饰材料可以有效降低CC在参加氧化还原反应的活化能垒。PC-CC阳极的MFC的阳极室出水COD去除率为89.69%,高于Ni-MS-PC-CC阳极的MFC,并且两者都高于CC阳极的MFC。PC-CC阳极的MFC的最大功率密度为900.94 m W?m^-2,较Ni-MS-PC-CC阳极的MFC提高了9.00%。以上结论说明PC作为MFC阳极修饰材料能够表现处优良的性能,而其模板法的制备流程简单,具有扩大化的可能性,是一种具有广阔前景的MFC阳极修饰材料。