微生物燃料電池

微生物燃料電池學生：宋健課程：環(huán)境生物技術時間：2013年12月16號1生物燃料電池的概念燃料電池（fuelcell）：一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學裝置。生物燃料電池（biofuelcell）：利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。MFC，英文全稱為microbialfuelcell：是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。主要分為雙室MFC和單室MFC。雙室MFC由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成，中間用質(zhì)子交換膜分開。而單室MFC即省去了陰極區(qū)，陽極和陰極在同一個室內(nèi)工作。2生物燃料電池的特點原料來源廣泛操作條件溫和生物相容性好生物燃料電池結構比較簡單3生物燃料電池的分類生物燃料電池工作方式電子轉(zhuǎn)移方式酶生物燃料電池微生物燃料電池直接生物燃料電池間接生物燃料電池先將酶從生物體系中提取出來，然后利用其活性在陽極催化燃料分子氧化，同時加速陰極氧的還原。指利用整個微生物細胞作催化劑，依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和電極之間進行有效的電子傳遞。燃料在電極上氧化，電子從燃料分子直接轉(zhuǎn)移到電極上，生物催化劑的作用是催化燃料在電極表面上的反應。燃料不在電極上反應，而在電解液中或其他地方反應，電子則由具有氧化還原活性的介體運載到電極上去。4微生物燃料電池（MFC）的基本工作原理PEM負載陽極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機物微生物有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產(chǎn)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(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)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)n＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+陰極反應：

4e-＋O2＋4H+2H2O圖1.生物燃料電池工作原理5微生物燃料電池（MFC）的基本工作原理直接微生物燃料電池工作機理直接微生物燃料電池是指燃料直接在電極上被氧化，電子直接由燃料轉(zhuǎn)移到電極。6微生物燃料電池（MFC）的基本工作原理間接微生物燃料電池工作機理間接微生物燃料電池的燃料不在電極上氧化，而是在別處氧化后，電子通過某種途徑傳遞到電極上來。7陽極介紹從MFC的構成來看，陽極擔負著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說是決定MFC產(chǎn)電能力的重要因素，同時也是研究微生物產(chǎn)電機理與電子傳遞機理的重要的輔助工具。現(xiàn)在，MFC陽極主要是以碳為主要材料，包括碳紙、碳布、石墨棒、碳氈、泡沫石墨以及碳纖維刷。陽極是微生物氧化分解有機物的場所，所以微生物的量也就能影響產(chǎn)電量。因此陽極材料的選擇主要就是考慮材料的比表面積8陽極介紹此外，陽極除了材料還有關注的重點就是陽極附著的微生物。目前已知的產(chǎn)電微生物有希瓦氏菌、假單胞菌、泥細菌等。但是在應用范圍內(nèi)，很少使用純菌，而多數(shù)使用的為混合菌群。相較與純菌，混合菌具有阻抗環(huán)境沖擊能力強、利用基質(zhì)范圍廣、降解底物速率和能量輸出效率高的優(yōu)點。通常使用的是厭氧發(fā)酵液、河道的厭氧底泥以及污水處理廠的厭氧活性污泥。9膜的介紹質(zhì)子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是只允許質(zhì)子透過，而基質(zhì)、細菌和氧氣等都被截留的微孔材料?，F(xiàn)在試驗中大多選用的是質(zhì)子交換膜PEM。PEM負載陽極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機物微生物10陰極的介紹最新的研究表明，陰極是制約MFC產(chǎn)電的主要原因之一。最理想的陰極電子受體應當是氧氣，但是從氧氣的還原動力學來看，氧氣的還原速度較慢，這直接影響了MFC的產(chǎn)電性能。于是在陰極加入各種催化劑來提高氧氣的還原速率的研究開始了。根據(jù)陰極催化劑的種類可以將MFC陰極分為非生物陰極和生物陰極。11非生物陰極常用的催化劑主要有Pt、過渡金屬元素等。目前，Pt是使用的最為廣泛的高效催化劑，有研究表明，用Pt催化電極反應可以使MFC的產(chǎn)電性能提高近4倍。但是，Pt的價格昂貴，不適宜長期使用。最近研究人員又把目光投向了過渡金屬元素，如鐵和鈷。比如實驗室目前使用的鐵氰化鉀。電子傳遞性能和輸出電壓都有明顯的提升。非生物陰極雖然能顯著提高MFC產(chǎn)電性能，但是其成本高、穩(wěn)定性差、也容易造成催化劑污染。非生物陰極12生物陰極研究人員考慮用微生物體內(nèi)的具有特定功能的酶作為催化劑，取代金屬催化劑。與非生物型陰極相比，生物陰極具有的優(yōu)點：可以顯著降低MFC建造的成本能夠避免出現(xiàn)催化劑中毒，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性利用某些特定微生物的代謝可以去除水中的多種污染物，例如生物反硝化生物陰極根據(jù)最終電子受體的不同，也可細分為好氧型生物陰極和厭氧型生物陰極。13MFC中常用的就是氧氣，因其在空氣中含量較高，使用也很方便，直接在陰極曝氣。研究者發(fā)現(xiàn)長滿生物膜的不銹鋼陰極能夠還原氧氣，提高電池性能，最大功率密度達到320mW/㎡。當去除生物膜后功率密度會顯著下降，從原來的270降到了2.8，這就證明生物膜對氧氣還原有著明顯的催化作用。其次，二氧化錳也能作為直接的電子受體，在MFC的陰極表面沉積一層MnO2，利用MnO2的電化學還原和生物再氧化過程，在MFC中首次實現(xiàn)了生物陰極過程。陰極發(fā)生的反應可以分為兩步：好氧型生物陰極14好氧型生物陰極二氧化錳也能作為直接的電子受體，在MFC的陰極表面沉積一層MnO2，利用MnO2的電化學還原和生物再氧化過程，在MFC中首次實現(xiàn)了生物陰極過程。陰極發(fā)生的反應可以分為兩步：三價鐵作為直接的電子受體這比直接以氧氣為電子受體的MFC產(chǎn)電能力提高了近40倍。15厭氧型生物陰極在厭氧條件下，許多化合物，如硝酸鹽、硫酸鹽、尿素和二氧化碳等都可以作為電子受體。利用厭氧生物陰極代替需氧生物陰極的一大優(yōu)勢是可以阻止氧通過PEM擴散到陽極，防止氧氣消耗電子導致庫倫效率下降。目前研究比較廣泛的是以硝酸鹽和硫酸鹽作為最終電子受體的情況。硝酸鹽為電子受體參加電極反應，能夠?qū)崿F(xiàn)微生物在低碳源或無碳源條件下的反硝化作用，避免在水處理過程中補充碳源。16以硝酸鹽為電子受體的MFC在產(chǎn)電能力方面遜色于其他類型的MFC，但是能夠在陰極實現(xiàn)生物反硝化也使得其在實際應用中有十分重要的意義。

硫酸鹽也可以作為MFC陰極的電子受體，但是它的接受電子的能力明顯弱于硝酸鹽，但是它的還原不需要嚴格厭氧條件，因此，作為研究對象而言還是很有吸引力的。

此外，二氧化碳也可以倍作為終端電子受體。研究人員在陰極以中性紅為電子介體，依靠微生物利用陰極電極產(chǎn)生的電子將二氧化碳還原成甲烷。但其產(chǎn)電力不高。厭氧型生物陰極17MFC同步脫氮除碳技術MFC同步的脫氮除碳是：研究人員在MFC陽極利用微生物去除有機物產(chǎn)生電子，同時在陰極利用硝酸鹽還原菌催化硝酸鹽還原，從而實現(xiàn)在去除有機物的同時，脫去污水中的氮。

18微生物燃料電池的最新研究進展1.與MEMS(microelectromechanicalsystem)結合的微生物燃料電池。美國加州大學Berkerley分校機械工程系的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。lin的燃料電池目前已能達到0.07cm2面積大小，使用的燃料為葡萄糖，催化劑為cerevisiae酵母。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(chǎn)生氫質(zhì)子和電子。19Lin的實驗中，在長達兩個小時的過程中，該微生物燃料電池產(chǎn)生了300mV的電壓。這種微型生物燃料電池產(chǎn)生的電壓，已足以驅(qū)動MEMS（microelectromechanicalsystem）器件，同時，微生物燃料電池產(chǎn)生的只是二氧化碳和水分。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.微生物燃料電池的最新研究進展20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?jīng)處理的污水轉(zhuǎn)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(qū)動一臺小電風扇。雖然目前產(chǎn)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(jīng)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500W～1000W.等技術成熟后可以批量生產(chǎn)的微生物燃料電池的發(fā)電能力將獲得很大提高，Logan認為它可以提供500KW的穩(wěn)定功率，大約是300戶家庭的用電功率.2.處理污水的微生物燃料電池微生物燃料電池的最新研究進展21微生物燃料電池的最新研究進展是一種通過分解有機物質(zhì)作為能源驅(qū)動力的機器人。基于微生物燃料電池（MFC）技術的吃肉機器人如下圖所示的是一種吃肉機器人，它所依靠的正是典型的微生物燃料電池技術，可將食物的能源轉(zhuǎn)化為電流。以葡萄糖溶液作為基礎燃料，利用發(fā)酵來起作用。這種基于微生物燃料電池的吃肉機器人，主要包括以下幾個必要部件：生物催化劑，氧化還原反應的中介物；一個陽離子交換隔膜；電極；陰極氧化反應物（例如圖中的鐵氰化物ferricyanide