中文摘要：

微生物电解池（microbial electrolysis cells，MEC）是一种可生物降解废水有机物同时产氢的生物制氢新技术。MEC阴极Pt/C催化剂成本高且易中毒失去催化活性，而生物阴极具有自身更新能力强、运行寿命长优势。国内外生物阴极的研究尚处于起步阶段，对阴极强化修饰提高其生物附着量和导电性是研究的一个重要方向。本课题旨在对生物阴极进行深入研究以提高生物阴极催化效率和产氢水平。研究（1）生物阴极催化产氢的生物反应机理，掌握阴极微生物生长的ATP来源；（2）碳纳米管/聚苯胺复合材料修饰阴极，研究生物亲和性、导电性及纳米尺寸效应等对生物阴极产氢效率的影响；（3）生物阴极的生物化学与电化学协同作用机制，探讨电化学特性与生物催化产氢的内在关系。本课题研究成果将为高效生物降解有机废水同步生物催化产氢的MEC体系的应用研究提供理论基础，也为有机废水"变废为宝"的有效利用提供一条新途径。

结论摘要：

微生物电解池（MEC）是一种新型利用微生物降解废水有机物并同时产氢的生物电化学技术。MEC阴极催化氢质子还原为氢气，其电子传递效率和催化活性是影响MEC产氢水平的重要因素。Pt/C作为常用的阴极催化剂，具有较高的催化活性，但其价格昂贵且易中毒失去催化活性，因此寻找可用以替代Pt/C的高效经济型催化剂是推进MEC技术发展的重要研究方向。MEC生物型阴极可以发生生物催化析氢反应，并具有自身更新能力强、运行寿命长等特点而受到人们的青睐。本课题旨在研究生物阴极催化反应机理，探索提高生物阴极催化效率的新途径，并构建出全生物催化降解有机废水并同步产氢的生物电化学体系。本课题研究了生物阴极型MEC启动方式及产氢性能，初步探析生物阴极催化产氢的反应机理。生物阴极表现出良好的电催化活性，并在产氢速率和电流密度等方面取得较高的水平。在外加电源为0.9V时，电流密度为134Am-3，氢气产率达到0.39m3m-3d-1，COD去除率为90%，电子回收率为63%，氢气回收率为37%。扫描电镜和伏安曲线等分析表明，阴极生物膜直接参与电子传递，不需要认为添加电子中介体。本课题进一步制备了聚苯胺/多壁碳纳米管复合材料对生物阴极进行了修饰强化，以通过提高电极导电性和生物亲和性而增强生物阴极催化产氢活性。实验结果表明修饰生物阴极表现出更高的电催化活性、电流密度和产氢率。以75%（质量比）的PANI/MWCNT修饰生物阴极性能最佳。在外加电压0.9V时，体系氢气产率为0.6739 m3m-3d-1，COD去除率为86.8%，库伦效率为72%，氢气回收率为42%，均优于同条件下未修饰生物阴极MEC。变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析表明， PANI/MWCNT的存在改变了生物阴极微生物种群分布特点，改善了生物阴极微生物均匀性，进而提高了微生物的催化活性。并深入研究了产氢过程中外加电压等外部参数对体系性能的影响，归纳生物阴极催化产氢的生物化学与电化学协同作用机制与规律。本研究成功构建了生物阴极型微生物电解池，实现了同步废水处理与产氢，并通过碳纳米管/聚苯胺复合材料修饰生物阴极，进一步提高体系性能。这些成果将为高效生物降解有机废水同步生物催化产氢的MEC体系的应用研究提供理论基础，也为有机废水的“变废为宝”的有效利用提供一条新途径。