隨著環(huán)境與能源問題日益嚴重，對清潔、可再生能源的開發(fā)和利用逐漸成為研究熱點。光催化與微生物燃料電池同屬于新興的能源與環(huán)保技術，二者功能相似，同時具有各自的優(yōu)點與弊端。光催化可以無選擇的降解污染物質(zhì)，但受限于高的空穴/電子復合幾率，微生物燃料電池的污染物局限于生物相容性物質(zhì)，功率輸出低，生物陰極的電子傳遞機制尚不明確。本文圍繞生物陰極微生物燃料電池的產(chǎn)電機制與污染物去除效能展開研究，并尋求有效地方式與光催化技術相耦合，使二者揚長避短，提高污染物降解性能，強化系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。間歇流運行的生物陰極微生物燃料電池獲得的最大功率密度為15.37 W/m3，氨氮硝化率接近100%。電化學性能分析表明生物陰極具有良好的氧氣還原催化活性和雙電層電容特性。生物陰極的催化反應與微生物的代謝活性之間存在著密切的相互作用，陰極反應依賴于微生物的代謝活性，同時外電路電子可以作為微生物生長代謝的能源，在一定程度上促進陰極硝化反應。

生物相分析結(jié)果表明，氨氧化菌(Nitrosomonas sp.)和亞硝酸亞氧化菌(Nitrospira sp和Nitrobacter sp.)在硝化型生物陰極中起到重要作用。由于向陰極提供了大量的有機物質(zhì)，連續(xù)流的運行方式提高了生物陰極微生物燃料電池的反硝化效果，從而實現(xiàn)了同步碳氮去除。陰離子交換膜的使用有利于硝酸根向陽極的遷移，TN去除率由49%提高到80%，然而陰離子交換膜容易受到微生物的污染，陰離子的結(jié)構(gòu)復雜，遷移阻力大，造成功率密度降低，不宜作為分隔材料。曝氣速率對系統(tǒng)的產(chǎn)能和COD的去除影響不大，但嚴重制約著硝化效率，曝氣速率0.6 L/min是保證氨氮的高硝化率的必要條件。COD/TN同時影響著系統(tǒng)的TN去除和功率輸出。COD/TN為26.5時，TN去除率獲得最大值(87.2±1.9%)，當COD/TN為33.1時，陰極的氧氣還原催化活性出現(xiàn)明顯下降。

本文將生物陰極與光催化陽極耦合構(gòu)建了生物陰極–光催化燃料電池(BioPEC)，同時利用光催化對難降解污染物的快速氧化和生物陰極的廉價、高效與可再生性，Bio-PEC獲得的最大功率密度為211.32±3.54 mW/m2，甲基橙降解速率為0.0120 mg/(L·min)。Bio-PEC可以利用各種有機廢水進行產(chǎn)電，光催化陽極室廢水較高的pH值和厭氧條件有利于提高功率輸出，為了保證溶液離子遷移速率，廢水的電導率不應低于10~15 mS/cm。為了同時回收光催化產(chǎn)生的電子與微生物氧化產(chǎn)生的電子，本文提出了光催化電池(PEC)與微生物燃料電池的兩種耦合方式。在復合陰極耦合模式中，鉑碳陰極PEC(Pt/C-PEC)的連接大大降低了鉑碳陰極MFC(Pt/C-MFC)的陽極電位，功率密度由780 mW/m2提高到1098 mW/m2。而在復合系統(tǒng)中，Pt/C-PEC回路產(chǎn)生的電流由150μA下降到20μA，甲基橙降解速率由0.0082 min-1下降到0.0007min-1，說明系統(tǒng)通過犧牲Pt/C-PEC的性能提升了Pt/C-MFC的性能。

通過將TiO2光催化陽極與微生物陽極共用同一個陰極的連接方式，構(gòu)建了復合陽極光催化–微生物燃料電池，實現(xiàn)了光能與生物能的同時利用。基于Pt/CPEC與Pt/C-MFC功率輸出特性的不同，Pt/C-PEC的連接有效地提高了Pt/CMFC的陰極電位與功率輸出。Pt/C-MFC性能的提高以Pt/C-PEC性能的小幅度下降為代價，系統(tǒng)整體性能較單獨Pt/C-MFC有明顯提高。該種耦合模式還在生物陰極微生物燃料電池中得到驗證，可以緩解生物陰極在運行不良情況下產(chǎn)生的電位波動，提高生物陰極的性能。