微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种绿色能源器件,它通过微生物以胞外电子转移（extracellular electron transfer,EET）的方式将其代谢过程产生的电子释放到阳极和外电路,从而将有机物中储存的化学能转换成电能。阳极材料及其表面结构是影响微生物产电的重要因素,纳米材料的表面修饰是优化阳极性能的有效方法。纳米TiO₂因其优异的稳定性、环境与生物相容性及丰富的纳米结构是阳极修饰的优选材料。但TiO₂相对低的电导是其在MFC阳极应用中的限制因素,通过优化纳米TiO₂的形貌结构改善其电子传导能力是该领域中仍有待探索的课题。本文通过在电极表面生长直立取向的纳米结构改善TiO₂修饰阳极的界面电子传导能力,分析纳米TiO₂对微生物EET的影响及其作用机制;并通过NH₃处理和复合导电聚合物进一步提高纳米TiO₂修饰阳极的电子传导能力以及促进MFC产电的能力。主要结果如下:1、首次在碳纸电极（CP）表面修饰了垂直生长的TiO₂纳米片（TiO₂-NSs）结构。分析表明水热法原位生长的TiO₂-NSs约1μm长,200-600nm宽,15nm厚,具有锐钛矿晶型结构。直立取向的TiO₂-NSs提供了电子转移的直接路径,避免了纳米颗粒修饰结构中的粒间界阻抗,从而有效改善了电子的传导;同时TiO₂-NSs阵列在电极表面形成3D开放的孔道结构,不仅提高了表面积,也有利于界面的传质。在TiO₂-NSs/CP电极上接种混合菌,成功启动了 MFC并实现了长期稳定的输出。相比基于CP电极启动的MFC,最大输出功率密度提高了 63%。该结果证明在不复合其它导电材料的情况下,通过引入合适的纳米结构,单纯的纳米TiO₂修饰能够显著增强微生物的产电能力,显示了纳米TiO₂在高性能MFC阳极中的应用前景。2、利用S.loihica PV-4作为模式产电菌,分析了产电菌外膜c型细胞色素蛋白（OMCs）在TiO₂-NSs/CP电极上的电子转移速率常数ket。生物电化学分析表明,含极性基团的超亲水性的TiO₂-NSs表面与微生物间的相互作用,不仅能够提高电极表面的生物量,也能调节OMCs在TiO₂-NSs/CP电极上的氧化-还原性质。TiO₂-NSs表面的极性基团与OMCs的作用有利于外膜蛋白向易于给出电子的构象调整,使OMCs的中点电势向负电势方向移动;同时微生物EET过程导致TiO₂-NSs表面的质子化,使TiO₂的平带电位向正电势方向移动。电子给体与受体氧化-还原能级的这种协同性移动有利于提高OMCs的界面电子转移速率,其在TiO₂-NSs/CP上的ket是在CP上的3倍。该研究首次揭示了纳米TiO₂对微生物EET过程的催化能力,进一步显示了纳米TiO₂在高性能MFC阳极中的应用潜力。3、氨气（NH₃）中处理是对TiO₂进行掺杂提高其导电性的有效方法。研究了在四种温度（400℃、500℃、600℃和700℃）下处理TiO₂-NSs/CP后电极的电化学性能及相应MFCs的输出。结果表明,在NH₃处理后的电极上接种PV-4作为阳极,均不同程度上提高了 MFC的最大输出功率密度,其中600℃时处理的电极（600-NTiO₂-NSs/CP）效果最好,表现出最好的导电性、最低的电荷转移电阻以及最大的电荷储存能力。相比TiO₂-NSs/CP阳极,600-NTiO₂-NSs/CP阳极上的最大输出功率密度提高了 50.3%。4、不同材料的复合能够实现取长补短、协同作用,是提高电极性能的重要方法。研究了 TiO₂-NSs与导电聚苯胺（PANI）的复合作用。分别经过5、10、15、20及25次电化学扫描循环在TiO₂-NSs上电聚合修饰了不同量的PANI。生物电化学实验表明,20次电化学循环聚合所得复合电极（TiO₂-20PANI/CP）具有最低的电荷转移电阻和最大的电荷储存能力,表现出最好的性能,作为MFC阳极时,最大输出功率密度达到了 813mW/m2,相比TiO₂-NSs/CP阳极增加了 63.6%。而采用最优的方法在600-NTiO₂-NSs/CP上复合PANI作为MFC阳极,最大输出功率密度达到了 1109mW/m2,相比TiO₂-NSs/CP和600-NTiO₂-NSs/CP阳极分别增加了 123.1%和 36.4%。本文成功地实现了在碳纸电极上修饰直立取向TiO₂纳米片结构,研究了TiO₂-NSs修饰电极对产电微生物EET的增强效应和电极进一步优化的能力,首次揭示了纳米TiO₂对OMCs界面电子转移的催化作用,其结果不仅对设计高性能生物电极具有指导意义,也为理解纳米TiO₂的环境生物学效应提供了新的角度。