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微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种可持续发展的新兴能源系统,与常规化学燃料电池相比,具有运行条件温和,成本低廉,环境友好等独特的优点,受到了研究者们广泛的关注。微生物和电极之间缓慢的界面电子转移过程导致了MFC的低功率密度从而限制了其实际应用。电极材料尤其是阳极材料的结构及其表面化学特性会影响细菌的附着和电子传递的快慢,对MFC的性能起着至关重要的作用。阳极材料的表面化学性质(包括润湿性、表面电荷、界面电子转移能力和表面氧化还原活性等)直接影响着电极与微生物以及电极与电解质界面的非均相电催化过程,是影响阳极性能的一个主要因素。目前大量纳米结构阳极的应用使MFC的产电性能有了较大提升,但对于纳米结构阳极表面化学性质对于界面电子传递过程的影响及其机制尚缺乏深入研究。在具有纳米结构的材料中,细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)衍生碳纳米纤维(Carbon nanofiber,CNF)阳极具有较好的生物相容性,其超细纤维网络结构不仅有利于生物膜粘附也能提供较大的反应活性面积,但其促进界面电子传递的具体机制不明确。本论文以细菌纤维素为前驱体,通过对其表面进行N、B元素摻杂以及Ni基纳米颗粒的修饰,制备了具有不同表面性质和结构的碳纳米纤维阳极材料,以典型产电菌株——腐败希瓦氏菌CN32为生物催化剂,探讨不同修饰对于直接以及间接电子传递过程的作用。主要研究内容及结果如下:(1)将细菌纤维素碳化后获得的碳纳米纤维(CNF)分别与尿素和氨水溶液进行水热反应制备N元素掺杂的碳纳米纤维,将其用于Shewanella putrefaciens CN32 MFC中并进行电化学行为分析,研究了N元素掺杂的碳纳米纤维对希瓦氏菌CN32界面电子传递的影响。结果表明,N元素的引入增加了CNF表面的含氮官能团,主要促进了FMN类电子介体介导的间接电子传递过程,提升了材料的生物相容性,促进生物膜的生长,有更好的全池性能。(2)将硼酸作为B源,通过溶液浸渍法处理细菌纤维素膜,制备了不同B元素含量的碳纳米纤维,增加了碳材料表面含硼官能团的同时,也增加了碳纳米纤维表面O含量,使表面具备更多的氧化还原反应活性位点,对材料进行电化学行为测试可以发现,经少量B修饰的碳纳米纤维的电容电流整体增大对FMN氧化还原反应的促进作用也有明显增强,但是硼酸浓度过大,会破坏细菌纤维素的3D网络大孔结构和介孔结构,不利于FMN电子介体的扩散和传递,同时限制了细菌的生长和附着。结果表明,合适的B含量不仅可以促进希瓦氏菌MFC黄素类电子介体介导的间接胞外电子传递,还能增强c型外膜细胞色素介导的直接电子传递过程。(3)在前两个研究的基础上,进一步利用细菌纤维素独特的三维结构和亲水性,以NiCl2为Ni源,通过碳化后和碳化前水热反应制备了CNF@NiO,NDCNF@NiO纳米复合材料和CNF@Ni纳米复合材料,进行形貌表征发现,碳化后合成的CNF@NiO和NDCNF@NiO复合材料形貌很不均一,采用碳化前制备的CNF@Ni复合材料进行电化学行为分析发现,CNF@Ni-Ⅱ复合材料对FMN的氧化还原反应有很好的促进作用,在Shewanella putrefaciens CN32细菌半电池中CNF@Ni-Ⅱ也显示出对直接与间接界面电子传递过程有更好的促进作用。通过对比放电前后材料的XPS分析发现,经48 h的恒电位放电后,CNF@Ni复合材料中Ni 2p光谱特征峰形状和结合能位置发生了明显的变化,我们推测Ni可能作为电子媒介体参与了细菌与电极间的界面电子传递。