微生物燃料电池（MFCs）是近些年发展起来的具有去污和产能双重功能的生物电化学系统。作为一种新型能源，该技术在废水处理方面具有极大的应用潜能。但是，目前MFCs较低的输出功率，以及较高的原料成本等问题，限制了其广泛的应用。作为电活性微生物生长和电子转移场所，阳极材料对MFCs性能具有非常重要的影响。虽然现有的可作为MFCs的阳极材料很多，但它们普遍存在性能相对较差、制备方法复杂、成本高等问题。因此，它们的规模化应用受到一定的限制。基于天然植物制备多孔碳材料的方法，具有操作简单和成本低等优点，且具有可持续性和环境友好等特点。为此，本文以天然植物为原料制备MFCs的三维多孔碳阳极，以提高MFCs的性能、降低MFCs的成本。本文第一部分选用天然有序孔道结构的洋麻杆为原料，通过直接碳化的方法制备了三维有序多孔碳（3D-OPC）阳极。通过SEM表征其形貌发现，3D-OPC是一种具有三维有序结构的多孔碳材料，其孔径在20-60μm左右，孔与孔之间由多孔瓣膜分隔。生物电化学测试结果显示，3D-OPC阳极可产生的最大电流密度达到了3.25mA·cm-2，是石墨棒（GR）阳极的2.9倍。但是，研究不同高度的3D-OPC阳极发现，随着电极高度的增加，电流密度并没有线性增加。阳极的微生物膜的形貌表征显示，约40μm厚的微生物膜生长在3D-OPC的表层，但是其内部微生物较少，其主要的原因是其孔径不够大，且孔与孔之间的瓣膜很大程度上阻碍了微生物的生长和营养基质的传递。针对第一部分研究存在的缺点，第二部分我们选用具有海绵状结构的柚子皮为原料，采用直接碳化的方法制备了网状泡沫碳（RCF）阳极。SEM表征显示，RCF具有大孔隙网状结构、褶皱的表面。RCF的孔隙率高达97%，孔径大小为100-200μm，同时具有良好的亲水性能。生物电化学测试结果显示，RCF阳极可释放的最大电流密度高达4.02mA·cm-2，是网状玻璃碳（RVC）阳极的近5倍和石墨毡（GF）阳极的2.35倍。相对3D-OPC而言，RCF具有更好的阳极性能，其可归功于网状的三维结构以及更大的孔径（达到100-200μm）。研究不同厚度的RCF阳极发现，随着电极厚度的增加，其电流密度也增大，但是体积电流密度随之减小。对阳极的微生物膜形貌表征显示，微生物膜在其表层生长达到20μm厚左右，同时微生物能深入RCF的内部达600μm左右；但是越往RCF的内部，微生物量越少。因此，RCF在一定程度上还是会阻碍营养基质的传递，从而限制微生物在其内部的生长。为此，还需要构建更大孔隙的阳极结构。本文第三部分选用层状波纹纤维素纸板为原料，采用直接碳化的方法制备了具有毫米级孔隙的层状波纹碳（LCC）阳极。生物电化学测试结果显示，具有单层波纹的LCC阳极，可产生的最大电流密度高达7.28mA·cm-2，是相同厚度石墨板（GP）阳极的6.6倍和碳毡（CF）阳极的4.55倍。研究不同高度的LCC阳极和不同波纹层数的LCC发现，随着LCC的高度的增加其电流密度呈增大趋势；随着波纹层数的增加，LCC的电流密度呈线性增长，6层波纹的LCC阳极的电流密度已达到39.1mA·cm-2。对LCC阳极的微生物膜的形貌用SEM表征发现，连续的微生物膜覆盖了LCC阳极的所有接触面，且其表层和内部的厚度都高达18μm。上述电化学性能及形貌分析结果显示，在优化的尺寸参数条件下，增加电极的面积，LCC阳极不受传质的限制。由于较低的制备成本，以及优异的阳极性能，且容易放大，因此，LCC是MFCs规模化应用的理想阳极材料。