微生物燃料電池(1)

1、微生物燃料電池微生物燃料電池 Microbial Fuel Celln解決當前日趨嚴重的解決當前日趨嚴重的環(huán)境污染環(huán)境污染問題和探尋問題和探尋新的產能方新的產能方式式是關系人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問題。是關系人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問題。微生物燃料電池微生物燃料電池n微生物燃料電池微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell, 簡稱簡稱MFC)是是以微生物為主體，在陽極將有機物燃料氧化，并將電以微生物為主體，在陽極將有機物燃料氧化，并將電子捕獲，通過電極將其傳遞至陰極，進而產生電流，子捕獲，通過電極將其傳遞至陰極，進而產生電流，最終實現(xiàn)化學能直接轉化為電能的裝置。最終實

2、現(xiàn)化學能直接轉化為電能的裝置。具有具有產電產電與與廢棄物處置廢棄物處置的雙重功效。的雙重功效。微生物燃料電池代表了當今最前沿的廢棄物資源化微生物燃料電池代表了當今最前沿的廢棄物資源化利用方向之一，其研究受到了學術界的極大關注，利用方向之一，其研究受到了學術界的極大關注，有望成為未來有機廢棄物能源化處置的支柱性技術。有望成為未來有機廢棄物能源化處置的支柱性技術。發(fā)展歷史發(fā)展歷史n1.1.早在早在19101910年，英國植物學家年，英國植物學家馬克馬克比特比特首次發(fā)現(xiàn)了首次發(fā)現(xiàn)了細菌的培養(yǎng)液能夠產生電流，于是，他用鉑做電極，細菌的培養(yǎng)液能夠產生電流，于是，他用鉑做電極，把它放進大腸桿菌和普通酵母菌

3、培養(yǎng)液里，成功制造把它放進大腸桿菌和普通酵母菌培養(yǎng)液里，成功制造出了世界第一個微生物燃料電池；出了世界第一個微生物燃料電池；n2.2.19841984年，美國制造了一種能在外太空使用的微生物年，美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池，它的燃料為宇航員的尿液和活細菌，不過燃料電池，它的燃料為宇航員的尿液和活細菌，不過它的放電率極低；它的放電率極低；n3.1991 年開始出現(xiàn)使用微生物燃料電池處理生活污水年開始出現(xiàn)使用微生物燃料電池處理生活污水的范例，然而，直到最近幾年用的范例，然而，直到最近幾年用MFCMFC處理處理生活污水生活污水得到得到的電池功率才有所增強；的電池功率才有所增強；n4.

4、 .近幾年近幾年, MFC, MFC的研究已經成為治理和消除環(huán)境污染源的研究已經成為治理和消除環(huán)境污染源,開發(fā)新型能源研究工作者的關注熱點。開發(fā)新型能源研究工作者的關注熱點。MFC的性能特點的性能特點與常規(guī)燃料電池相比，與常規(guī)燃料電池相比，MFC以微生物代替昂貴的化學催化劑，以微生物代替昂貴的化學催化劑，因而具有更多優(yōu)點：因而具有更多優(yōu)點：u燃料來源廣泛燃料來源廣泛，尤其可利用有機廢水等廢棄物；，尤其可利用有機廢水等廢棄物；u反應條件溫和反應條件溫和，常溫常壓下即可運行；，常溫常壓下即可運行；u環(huán)境友好環(huán)境友好，所產生的物質主要是所產生的物質主要是CO2和和H2O，無酸、堿、，無酸、堿、重金屬

5、等污染物產生，重金屬等污染物產生，無需對其產物做任何后處理無需對其產物做任何后處理；u因能量轉化過程無燃燒步驟，故因能量轉化過程無燃燒步驟，故理論轉化效率較高理論轉化效率較高。 有機物作為燃料在厭氧的陽極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，與電子受體換膜到達陰極，與電子受體 （氧氣）（氧氣）反應生成水。其陽極和陰極反應式反應生成水。其陽極和陰極反應式如下

6、所示：如下所示：MFC的基本工作原理：的基本工作原理：PEM負載負載陽極室陽極室陰極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機物有機物微生物微生物圖圖1.微生物燃料電池工作原理Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell4e-O24H+ 2H2O(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+陽極反應：陽極反應：陰極反應陰極反應 圖圖2. 2. 微生物燃料電池陽極電子傳遞機制示意圖微生物燃料電池陽極電子傳遞機制示意圖:A.:A.直接接直接接觸觸;B.;B.納米導線納米導線;C.;C.氧化還原介體氧化還原介體;D.;D.還原

7、態(tài)初級代謝產物原位氧化還原態(tài)初級代謝產物原位氧化陽極產生電子的機理陽極產生電子的機理陽極材料陽極材料l陽極擔負著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說是決定陽極擔負著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說是決定MFCMFC產電能力的重要因素，同時也是研究微生物產電機理與產電能力的重要因素，同時也是研究微生物產電機理與電子傳遞機理的重要的輔助工具。電子傳遞機理的重要的輔助工具。l現(xiàn)在，現(xiàn)在，MFCMFC陽極是微生物附著的主要場所，其量的多少直接陽極是微生物附著的主要場所，其量的多少直接關系到產電能力的大小，其關系到產電能力的大小，其必要條件是具有必要條件是具有高導電率、高高導電率、高比表面積、高孔隙率、

8、廉價易造且可回收等比表面積、高孔隙率、廉價易造且可回收等。主要是以主要是以碳碳為主要材料，包括為主要材料，包括碳紙、碳布、石墨棒、碳氈、泡沫石墨碳紙、碳布、石墨棒、碳氈、泡沫石墨以及碳纖維刷。以及碳纖維刷。目前對陽極的研究主要是目前對陽極的研究主要是u對導電材料的改性對導電材料的改性u加入其他的催化劑加入其他的催化劑碳紙，碳布，泡沫碳紙，碳布，泡沫痰及玻璃電極。痰及玻璃電極。石墨棒，石墨板l1.對材料的改性對材料的改性lZeikus等等1報道了用報道了用石墨石墨陽極固定微生物來增加電流密度陽極固定微生物來增加電流密度, 然后用然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+來改性

9、石墨作為陽極。結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果表明，這些改性陽極產生的電流功率是平板石墨的115212倍。倍。lZhang等等2報道了在報道了在石墨石墨中加入中加入聚四氟乙烯聚四氟乙烯( PTFE) 作為作為MFC的陽的陽極極,研究表明研究表明,PTFE 的含量影響了的含量影響了MFC的電流產生的電流產生,質量分數(shù)為質量分數(shù)為30%的的PTFE可以獲得的最大功率為可以獲得的最大功率為760 mW/ m2。lCheng等將用等將用氨氣氨氣預處理過的預處理過的碳布碳布作為作為MFC 的陽極的陽極,結果表明結果表明,預預處理過的碳布產生的功率為處理過的碳布產生

10、的功率為1640 mW/ m2 ,要大于未預處理過的功率要大于未預處理過的功率,并且并且MFC 的啟動時間縮短了的啟動時間縮短了50 %。l2 .加入其他催化劑加入其他催化劑lQiao等報道了用等報道了用碳納米管碳納米管/ 聚苯胺聚苯胺(CNT/ PANI)作為作為MFC 陽極。陽極。lKargi 等用等用銅銅和和銅銅- 金金導線來代替石墨電極作為導線來代替石墨電極作為MFC 的陽極的陽極,結結果發(fā)現(xiàn)果發(fā)現(xiàn),隨著陽極表面積的增大隨著陽極表面積的增大,產生的電流和功率也隨之增大。產生的電流和功率也隨之增大。lRosenbaum等研究了用等研究了用碳化鎢碳化鎢作為微生物燃料電池的陽極作為微生物燃料

11、電池的陽極,獲得獲得了不錯的效果了不錯的效果,其電化學活性和化學穩(wěn)定性作為微生物燃料電池其電化學活性和化學穩(wěn)定性作為微生物燃料電池的陽極是適合的。的陽極是適合的。陽極除了材料之外，還需要關注的重點就是陽極除了材料之外，還需要關注的重點就是陽極附著的微生物陽極附著的微生物。目前已知的產電微生物主要包括目前已知的產電微生物主要包括希瓦氏菌希瓦氏菌（Shewanella）、地桿菌（地桿菌（Geobactor）以及）以及假單胞菌假單胞菌、泥細菌泥細菌等。但是在應用范圍內，等。但是在應用范圍內，很少使用純菌，而多數(shù)使用的為混合菌群。很少使用純菌，而多數(shù)使用的為混合菌群。相較與純菌，混合菌具有相較與純菌，

12、混合菌具有阻抗環(huán)境沖擊能力阻抗環(huán)境沖擊能力強、利用基質范圍廣、降解底物速率和能量強、利用基質范圍廣、降解底物速率和能量輸出效率高的優(yōu)點。輸出效率高的優(yōu)點。陽極附著微生物陽極附著微生物離子交換膜離子交換膜質子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔膜，質子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是理想的材料是只允許質子透過，而基質、細菌和氧只允許質子透過，而基質、細菌和氧氣等都被截留的微孔材料氣等都被截留的微孔材料。在試驗中大多選用的是在試驗中大多選用的是質子交換膜（質子交換膜（PEM）。陰極材料陰極材料陰極的設計是陰極的設計是MFC使用和升級的一個最大挑戰(zhàn)。前面提使用和升級的一個最大

13、挑戰(zhàn)。前面提到的陽極材料同樣可以適用于陰極，不過陰極材料在使到的陽極材料同樣可以適用于陰極，不過陰極材料在使用時需要添加催化劑，因為電子受體在陰極還原速率比用時需要添加催化劑，因為電子受體在陰極還原速率比較慢。最理想的陰極電子受體應當是較慢。最理想的陰極電子受體應當是氧氣氧氣，但是從氧氣，但是從氧氣的還原動力學來看，的還原動力學來看，氧氣的還原速度較慢，這直接影響氧氣的還原速度較慢，這直接影響了了MFC的產電性能的產電性能。于是在陰極加入各種。于是在陰極加入各種催化劑催化劑來提高來提高氧氣的還原速率的研究開始了。氧氣的還原速率的研究開始了。陰極材料大多使用陰極材料大多使用載鉑碳載鉑碳材料材料,

14、 但是由于但是由于Pt的價格比較的價格比較昂貴限制其商業(yè)化應用。因此需要尋找廉價的可替代陰昂貴限制其商業(yè)化應用。因此需要尋找廉價的可替代陰極鉑催化劑。有報道給出了摻極鉑催化劑。有報道給出了摻Fe3+的的石墨石墨和沉積了和沉積了氧化氧化錳錳的的多孔石墨多孔石墨作為陰極材料。作為陰極材料。目前實驗室有一個課題就是研究目前實驗室有一個課題就是研究陰極催化劑陰極催化劑，以，以生物生物炭修飾電極炭修飾電極為基礎，以常見的物質，如青苔、絲瓜絡為基礎，以常見的物質，如青苔、絲瓜絡以及植物秸稈等，將其經與處理之后再以及植物秸稈等，將其經與處理之后再高溫真空碳化高溫真空碳化，利用利用循環(huán)伏安法（循環(huán)伏安法（CV

15、CV）、線性伏安法（）、線性伏安法（LSVLSV）等電化學等電化學技術進行研究。觀察其還原電位以及電流的大小，并技術進行研究。觀察其還原電位以及電流的大小，并與鉑電極進行比較。與鉑電極進行比較。實驗研究內容實驗研究內容制約電池性能的因素制約電池性能的因素(1)(1)動力學方面動力學方面：陽極和陰極反應活化能較高陽極和陰極反應活化能較高; ; (2)(2)內阻方面內阻方面：主要來自電解液的離子阻力主要來自電解液的離子阻力, ,電極與接觸物電極與接觸物質產生的電阻質產生的電阻, ,以及以及PEMPEM所產生的內電阻所產生的內電阻; ; (3)(3)物質傳遞物質傳遞：反應物到微生物活性位的傳質阻力和

16、陰極反應物到微生物活性位的傳質阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴散。區(qū)電子最終受體的擴散。應用前景應用前景 目前目前,雖然要讓微生物燃料電池提供更高且穩(wěn)定的輸出雖然要讓微生物燃料電池提供更高且穩(wěn)定的輸出功率功率,還有待于相關技術的進一步提高。但完全可以相還有待于相關技術的進一步提高。但完全可以相信信,隨著微生物學和電化學技術的不斷發(fā)展隨著微生物學和電化學技術的不斷發(fā)展,微生物燃微生物燃料電池將會成為未來利用各種有機料電池將會成為未來利用各種有機(廢廢) 物發(fā)電的新技物發(fā)電的新技術核心。術核心。微生物燃料電池是一種能將產生微生物燃料電池是一種能將產生新能源新能源和解決和解決環(huán)境污環(huán)境污染染問題有機的結

17、合起來的新技術?？赏蔀橐环N問題有機的結合起來的新技術?？赏蔀橐环N能源能源替代替代形式，并在形式，并在生物傳感器、污水處理新工藝生物傳感器、污水處理新工藝，以及，以及利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進行未培養(yǎng)菌的富集利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進行未培養(yǎng)菌的富集等方面都有較好的應用前景。等方面都有較好的應用前景。 MFC最新研究進展最新研究進展一、與微電極電池系統(tǒng) (MEMS) 結合的MFC.u美國加州大學Berkerley分校機械工程系的Pro.Lin出于對無污染的汽車能源和家用能源的研究，注意到了微生物燃料電池。其研究表明，微生物燃料電池完全可以做到更小的尺度。 Pro.Lin的燃料電池目前

18、已能達到0.07cm2 面積大小，使用的燃料為葡萄糖，催化劑為cerevisiae酵母。u這種微生物燃料電池的原型中有一個微小的空室，用于放置進行發(fā)酵作用的微生物。葡萄糖溶液通過平行的流體槽道進入到這個微小空室中。在微生物進行發(fā)酵的過程中，產生氫質子和電子。MFC最新研究進展最新研究進展 Pro.Lin的實驗中，在長達兩個小時的過程中，該微生物燃料電池產生了 300mV 的電壓。l這種微型生物燃料電池產生的電壓，已足以驅動MEMS器件，同時，微生物燃料電池產生的只是二氧化碳和水分。l這兩種技術的融合，可能是未來微機械和微型燃料電池的一個具有發(fā)展前途的方向。例如微型的自維持型醫(yī)療器械.MFC最新研究進展最新研究進展二、處理污水的微生物燃料電池 由美國賓夕法尼亞州立大學的科學家Logan率領的一個研發(fā)小組宣布他們研制出一種新型的微生物燃料電池?？梢园盐唇浱幚淼奈鬯D變成干凈用水和電源。在發(fā)電能力方面，據(jù)Logan稱在實驗室里該設備能提供的電功率可以驅動一臺小電風扇。雖然目前產生的電流不大，但該設備改進的空間很大。洛根的研發(fā)小組已經把該燃料電池的發(fā)電能力提高到了350W 洛根希望這一數(shù)值最終能達到 500W1000W. 等技術成熟后可以批量生產的微生物燃料電池的發(fā)電能力將獲得很大提高，Logan