虽然MFC能够产电，但是它产电的功率密度很小，想要将其制成电源从而 应用于人们的日常生活中以及工业化生产还有不小的差距。于是，如今科研工 作者们研究的热点之一就是探索提高MFC的产电性能的方案。阳极材料、阴极 材料、质子交换膜等都是研究的主要内容。

目前，MFC的制作成本高、输出功率低是制约把它投入实际的瓶颈[3]。为了 提高MFC的产电功率，还原性高的物质被作为电子受体投入研究，如铁氰化物、 高锰酸盐[1]，但它们不可再生、需增加额外成本，其不具备实用价值。利用廉价 易得的空气中的O2作为电子受体无疑是最佳选择，但是氧的还原是一个不可逆 反应，其反应动力学偏慢，所以会使阴极电势损失0.3 V-0.4 V[3]。因此MFC的研 究重点之一是提高阴极氧还原的电催化活性。根据阴极催化剂种类，MFC阴极 可以分为非生物型阴极(abiotic cathode)和生物型阴极(bio cathode)。截至目前为 止，除了Pt/C阴极催化剂，非生物阴极催化剂还有卟啉-金属氧簇超分子化合物、 过渡金属大环化合物、过渡金属氧化物以及碳黑等等[4]。论文网

为了尽量减少运行成本，人们越来越多的研究单室空气阴极MFC的产电性 能，用简单的或者被修饰的（进行预处理或者金属附着）碳做阴极电极材料[5]， 对于在电极中使用的催化剂，其影响电池性能的因素有：催化剂的稳定性、催 化剂的力学性能、比表面积以及化学组成。

阴极材料的选择关键性的影响着MFC的输出电压和产电功率密度。MFC的 阴极对其的影响与作用主要体现在以下几个方面：①阴极材料的选择方案和阴极 材料的改性、修饰方法会对MFC的启动时间有一定的影响[6]。②阴极的接触面是 由阴极材料的结构和性质来决定的，影响接受电子的能力和方式。③高的电导率 是选择阴极材料时主要考虑的影响因素之一，因为电导率影响电极的电阻值， 而电极的电阻值也影响MFC的功率输出值。可在实际的运行过程中，电极电阻 值的降低并不保证一定能提高功率输出。

从 MFC 的构成来考虑，本文要选择比表面积大、导电率高的阴极材料最为 研究的对象，剖析阴极材料的性质和表面特性对产电性能的影响。

1.2 MFC 的工作原理

MFC 装置一般由阳极室及阴极室组成的，质子交换膜(PEM)隔开阳极室和 阴极室，产电原理如图 1.1 所示。MFC 在阳极室内有机物(如葡萄糖、乳酸钠等) 直接在微生物的催化作用下生成质子和电子，电子从微生物内部转移至阳极， 再通过导线传递给阴极；质子则通过 PEM 传递到阴极，质子、电子和 02 在阴极 室内发生反应生成了水[7]。

如图 1.1 所示，电池电子转移和产电过程。阳极室给出电子和质子发生氧化 反应；阴极室内质子、电子与 02 发生还原反应，生成了无污染的水。外部电路 由导线和采集板组成。以阳极室内的有机物是葡萄糖为例，MFC 阳极和阴极的 反应方程式如下[8]：

1.3 国内外研究现状

1.3.1 MFC 阳极材料

1.3.2 MFC 阴极材料的研究现状

1.4 本课题的研究意义和研究内容

1.4.1  本课题的研究意义

研究电极的修饰正被积极研究，用以增加阴极氧还原。在燃料电池中，镀 Pt 的碳阴极产生性能比那些只用石墨或碳的阴极更高，这是通过增加发生在阴 极表面[25]的对氧的亲和力和降低氧还原反应的活化能（ORR）。但是，在 MFC 阴极调查[26]中发现，ORR 在中性 pH 环境和低温下其动力学较差，限制了其在 硫化物中毒的废水中的应用。还有一些其他低廉的催化剂，如： CoTMPP，