微生物燃料电池(MFCs)作为一个崭新且富有挑战的领域,是21世纪环境工程领域新兴的废水处理同步能源回收技术,能在胞外产电菌的作用下将有机废物中的化学能直接转化成电能的装置,因此引起全世界的广泛关注。虽然MFCs电极材料的研究取得了一定的进展,目前科学家在微生物燃料电池方面还有许多问题有待发现和解决,比如:低输出功率、制作MFC成本高以及对MFC的产电机理还不够清楚等问题。在MFC利用有机物产生电能的整个过程中,阳极的动力学活性,限制了整体的功率电流密度,起决定作用的是电子在阳极部分的传递。阳极材料本身的性质直接影响到产电微生物能否快速地附着在阳极上,并顺利地将电子传递给阳极。因此选择性能优良的阳极材料,对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。阳极材料的必要条件是高导电率、无腐蚀性、高比表面积、高孔隙率、无污垢(即无细菌填充)、优良的生物相容性、廉价、容易制造并且可放大生产。本文从两种复合材料修饰微生物燃料电池阳极的方法来提高产电性能。一种方法是非金属元素氮掺杂多孔碳材料修饰碳布作为微生物燃料电池的阳极,另一种方法是金属元素掺杂碳材料修饰碳布作为微生物燃料电池的阳极。研究改性阳极材料对产电性能的影响,并根据等温吸附法、扫描电子显微镜、光电子能谱等分析方法来进一步探索了非金属元素和非贵金属元素分别掺杂碳材料修饰阳极对MFCs的产电性能产生影响的原因。第一种方法:首先实验选取了两种化合物(三聚氰胺和L-半胱氨酸)分别作为氮源,使用一步热解法生成了两种含氮多孔碳材料用来修饰碳布作为MFC的阳极电极。氮元素掺入使得材料形成具有大量缺陷位点的多孔结构,同时增大了微生物燃料电池(MFCs)阳极电极的生物相容性。在中性条件下,两种不同的化合物(三聚氰胺和L-半胱氨酸)生成的氮掺杂多孔碳材料修饰阳极用于MFCs中,获得的最大输出功率密度分别为2777.7mW/m~2和3523.1mW/m~2。第二种方法:实验选取富含金属原子(Ca、K、Mg等元素)的米糠作为研究对象,通过一步热解法合成了非贵金属原子掺碳的复合物材料,用来修饰碳布作为MFC的阳极电极。实验结果表明:与一般裸碳布获得的电流和最大功率密度相比,该非贵金属掺杂碳材料修饰的碳布作为阳极用于MFCs,获得相对较高的输出功率密度,为4485.9mW/m~2,经过分析,非贵金属原子的掺入能够提高阳极的动力学活性,非贵金属元素含量的细微差别,对于微生物阳极电子传递速率有着不一样的影响,进而影响输出功率。