1、微生物燃料電池microbial fuel cell姓名NAME 學號NUMBER 學院SCHOOL 一：微生物燃料電池概述生物燃料電池燃料電池（fuel cell）：一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能連續不斷地轉化成電能的電化學裝置。生物燃料電池（biofuel cell）：利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置。MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作用進行能量轉換(如碳水化合物的代謝或光合作用等)，把呼吸作用產生的電子傳遞到電極上的裝置。在微生物燃料電池中用微生物作生物催化劑，可以在常溫常壓下進行能量轉換。1.概念1911年，英國植物學

2、家Potcer用酵母和大腸桿菌進行試驗，首次發現利用微生物可以產生電流，拉開了微生物燃料電池研究的序幕。40多年后，美國基于研究開發一種用于空間飛行器中、以宇航員生活廢物為原料的生物燃料電池，間接微生物電池占主導地位。先利用微生物發酵產生氫氣或其它能作為燃料的物質，然后再將這些物質通入燃料電池發電。2.微生物燃料電池發展簡史從60 年代后期到70 年代，直接生物燃料電池逐漸成為研究的中心。熱點之一是開發可植入人體、作為心臟起搏器或人工心臟等人造器官電源的生物燃料電池。這種電池多是以葡萄糖為燃料，氧氣為氧化劑的酶燃料電池。鋰碘電池的研究取得了突破，并很快應用于醫學臨床。生物燃料電池研究因此受到較

3、大沖擊。80年代后，對于生物燃料電池的研究又活躍起來，采用氧化還原介體的微生物燃料電池的研究全面開展。氧化還原介體的廣泛應用，使生物燃料電池的輸出功率密度有了很大提高，顯示了它作為小功率密度電源的可能性。但由于介體(中性紅、亞甲基藍、勞氏紫等)昂貴并且一部分具有毒性，阻礙了微生物燃料電池的進一步發展。90 年代初，我國也開始了該領域的研究。3.微生物燃料電池的分類依據微生物的營養類型分類：異養微生物燃料電池是指厭氧菌代謝有機物產生電能；光能異養微生物燃料電池是指光能異養菌(如藻青菌)利用光能和碳源作底物，以電極作為電子受體輸出電能；沉積物微生物燃料電池是微生物利用沉積物相與液相間的電勢差產生電

4、能。依據電子的轉移方式分類1.介體微生物燃料電池微生物細胞膜含有肽鍵或類聚糖等不導電物質，對電子傳遞造成很大阻力，需要借助介體將電子從呼吸鏈及內部代謝物中轉移到陽極。在微生物燃料電池中加入適當的介體，會顯著改善電子的轉移速率。2.無介體微生物燃料電池 指微生物燃料電池中的細菌能分泌細胞色素、醌類等電子傳遞體，可將電子由細胞膜內轉移到電極上。 目前發現的這類細菌有腐敗希瓦菌、地桿菌，酸梭菌、糞產堿菌、鶉雞腸球菌和銅綠假單胞菌等。依據微生物種類分類純菌型：腐敗希瓦菌、地桿菌、酸梭菌等混菌型：抗沖擊能力強，更高的底物降解率， 更低的底物專一性和更高的能量輸 出效率依據微生物燃料電池的外型分類雙室微生

5、物燃料電池構造簡單，易于改變運行條件(如極板間距，膜材料，陰陽極板材料等)。單室微生物燃料電池直接以空氣中的氧氣作為氧化劑，陰極不需要曝氣，陰陽極板之間可以不加質子交換膜，結構簡單成本低，但庫侖效率一般都很低，只有30。二：微生物燃料電池工作原理 有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成回路產生電流，而質子通過質子交換膜到達陰極，與電子受體 （氧氣）反應生成水。其陽極和陰極反應式如下所示：陽極反應： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+陰極反應： 4e-O24H+ 2H2OMFC的基本工作原理：PEM負載陽

6、極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機物微生物微生物燃料電池工作原理生物燃料電池間接MFC：需要外源中間體參與代謝，產生電子才能傳遞到電極表面，如脫硫弧菌、普通變形桿菌和大腸桿菌等；直接MFC：代謝產生的電子可通過細胞膜直接傳遞到電極表面；如地桿菌、腐敗希瓦式菌和鐵還原紅螺菌等；生物燃料電池電子傳遞細胞膜直接傳遞電子 其電子直接從微生物細胞膜傳遞到電極，呼吸鏈中細胞色素是實際電子載體；提高電池功率，關鍵在于提高細胞膜與電極材料的接觸效率。由中間體傳遞電子氧化態中間體 還原態中間體 排除體外 電極表面被氧化生物燃料電池電子傳遞機理：1）細胞通過其細胞膜外側的細胞色素C將呼吸鏈中的

7、電子直接傳遞到陽極，如異化還原鐵地桿菌、鐵還原紅螺菌等；2）細菌通過其納米級的纖毛或菌毛實現電子傳遞，該菌毛或纖毛稱為納米電線（nanowire）。MFC的主要組成部分生物燃料電池組成成分原料標注陽極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網狀玻碳必需陰極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網狀玻碳必需陽極室玻璃、聚碳酸脂、有機玻璃必需陰極室玻璃、聚碳酸脂、有機玻璃非必需質子交換膜質子交換膜、鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維和碳紙必需電極催化劑鉑、鉑黑、聚苯胺、固定在陽極上的電子介體非必需微生物燃料電池組成生物燃料電池質子交換膜(PEM) PEM 對電池產電性能影響也很大。 在雙室MFCs 中,PEM 的作用不僅體現在將陽

8、極室和陰極室分隔開和傳遞質子,同時還要能阻止陰極室內氧氣擴散至陽極室。 在單室MFCs 中,一般采用“二合一”電極,即將PEM 熱壓在陰極內側。生物燃料電池合適的中間介體中間介體具備條件：1）容易與生物催化劑及電極發生可逆的氧化還原反應；2）氧化態和還原態都較穩定，不會因長時間氧化還原循環而被分解；3）介體的氧化還原電對有較大的負電勢，使電池兩級有較大電壓；4）有適當極性以保證能溶于水且易通過微生物膜或被酶吸附；5）對微生物無毒，且不能被微生物利用。陽極材料 一般微生物燃料電池用無腐蝕性的導電材料作為陽極,如碳、石墨等。對陽極的研究主要是對導電材料的改性和加入其他的催化劑。1.對材料的改性Ze

9、ikus等報道了用石墨陽極固定微生物來增加電流密度, 然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+來改性石墨作為陽極。結果表明，這些改性陽極產生的電流功率是平板石墨的115212倍。Cheng等將用氨氣預處理過的碳布作為MFC 的陽極,結果表明,預處理過的碳布產生的功率為1640 mW/ m2 ,要大于未預處理過的功率,并且MFC 的啟動時間縮短了50 %。 2 .加入其他催化劑Qiao等報道了用碳納米管/ 聚苯胺(CNT/ PANI)作為MFC 陽極。Kargi 等用銅和銅- 金導線來代替石墨電極作為MFC 的陽極,結果發現,隨著陽極表面積的增大,產生的電流和功率也隨之增大

10、。Rosenbaum等研究了用碳化鎢作為微生物燃料電池的陽極,獲得了不錯的效果,其電化學活性和化學穩定性作為微生物燃料電池的陽極是適合的。陰極是制約MFC產電的主要原因之一。最理想的陰極電子受體應當是氧氣，但是氧氣的還原速度較慢，直接影響了MFC的產電性能。陰極材料根據陰極催化劑的種類：非生物陰極常用的催化劑主要有Pt、過渡金屬元素等。Pt是最廣泛的高效催化劑，能使MFC的產電性能提高近4倍。但成本高、穩定性差、也容易造成催化劑污染。MFC陰極非生物陰極生物陰極好氧型厭氧型根據最終電子受體不同生物陰極可顯著降低MFC成本，避免催化劑中毒，提高穩定性。好氧型生物陰極常以不銹鋼或MnO2為電子受體

11、；厭氧型生物陰極常以硝酸鹽、硫酸鹽、尿素和CO2等為電子受體。三：微生物燃料電池的問題與展望生物燃料電池微生物燃料電池的關鍵問題動力學問題： 解決途徑：1）選擇產電效率高的菌種； 2）選擇適合的不同菌種進行復合培養，使之在電池中建立這種所謂的共生互利關系，以獲得較高的輸出功率； 3）增大陽極的表面積。生物燃料電池內阻問題：內電阻的微降會顯著地提高輸出功率，說明其在提高電池的輸出功率方面具有重要作用。1）PEM對內阻的影響2）PEM和電極的空間距離對內阻的影響3）電極間距離和電極表面積對系統內電阻的影響生物燃料電池傳遞問題： 反應物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區電子最終受體的擴散速率是電子傳

12、遞過程中的主要制約因素。 氧作為陰極反應的電子受體最大問題是在水中的溶解度低。 攪拌情況、微生物最大生長率、微生物對底物的親和力、生物量負荷、操作溫度和酸堿度均對物質傳遞有影響。MFC的最新研究方向微生物電解池（MEC），一種新型的利用廢水產氫技術。由于產電細菌能夠釋放電子，所以可以利用MFC形式的反應器進行產氫。微生物氧化底物釋放電子，這些電子與同步產生的質子結合形成氫氣，但是這個過程無法自行完成，需要一個電化學來輔助其產氫氣。即在電路中施以外加電壓。所以這個過程也稱為電輔助產氫。微生物脫鹽池（MDC），用于淡化鹽水。目前的海水淡化技術要高壓及大量的電能。研究人員構建的以醋酸為底物，不同初始濃度的鹽水的MDC，脫鹽率能達到90%。環境污染治理1、使用MFC技術進行生物修復 研究表明，MFC系統可以再厭氧條件下用于提高被石油污染的地下水的生物修復速率。2、用于難降解有機物的去除 當構建一個以葡萄糖和偶氮燃料為基質的生物陰極型MFC時，污染物的去處速率顯著加快，脫色率得到提高。3、制成BOD生物傳感器，對受污染水體進行預警，甚至能夠為邊遠海域的導航系統提供電源（SMFC）。 結語與展望 MF