微生物燃料電池

微生物燃料電池學(xué)生：宋健課程：環(huán)境生物技術(shù)時(shí)間：2013年12月16號(hào)1生物燃料電池的概念燃料電池（fuelcell）：一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)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(xué)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(xué)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(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)組成，中間用質(zhì)子交換膜分開(kāi)。而單室MFC即省去了陰極區(qū)，陽(yáng)極和陰極在同一個(gè)室內(nèi)工作。2生物燃料電池的特點(diǎn)原料來(lái)源廣泛操作條件溫和生物相容性好生物燃料電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(lái)，然后利用其活性在陽(yáng)極催化燃料分子氧化，同時(shí)加速陰極氧的還原。指利用整個(gè)微生物細(xì)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(jìn)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(yīng)。燃料不在電極上反應(yīng)，而在電解液中或其他地方反應(yīng)，電子則由具有氧化還原活性的介體運(yùn)載到電極上去。4微生物燃料電池（MFC）的基本工作原理PEM負(fù)載陽(yáng)極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機(jī)物微生物有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽(yáng)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(yáng)極，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與電子受體（氧氣）反應(yīng)生成水。其陽(yáng)極和陰極反應(yīng)式如下所示：陽(yáng)極反應(yīng)：

(CH2O)n＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+陰極反應(yīng)：

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(jī)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(jī)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(guò)某種途徑傳遞到電極上來(lái)。7陽(yáng)極介紹從MFC的構(gòu)成來(lái)看，陽(yáng)極擔(dān)負(fù)著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說(shuō)是決定MFC產(chǎn)電能力的重要因素，同時(shí)也是研究微生物產(chǎn)電機(jī)理與電子傳遞機(jī)理的重要的輔助工具。現(xiàn)在，MFC陽(yáng)極主要是以碳為主要材料，包括碳紙、碳布、石墨棒、碳?xì)?、泡沫石墨以及碳纖維刷。陽(yáng)極是微生物氧化分解有機(jī)物的場(chǎng)所，所以微生物的量也就能影響產(chǎn)電量。因此陽(yáng)極材料的選擇主要就是考慮材料的比表面積8陽(yáng)極介紹此外，陽(yáng)極除了材料還有關(guān)注的重點(diǎn)就是陽(yáng)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(xì)菌等。但是在應(yīng)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(qiáng)、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(diǎn)。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(guò)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(guò)，而基質(zhì)、細(xì)菌和氧氣等都被截留的微孔材料?，F(xiàn)在試驗(yàn)中大多選用的是質(zhì)子交換膜PEM。PEM負(fù)載陽(yáng)極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機(jī)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(yīng)當(dāng)是氧氣，但是從氧氣的還原動(dòng)力學(xué)來(lái)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(lái)提高氧氣的還原速率的研究開(kāi)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(guò)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(yīng)可以使MFC的產(chǎn)電性能提高近4倍。但是，Pt的價(jià)格昂貴，不適宜長(zhǎng)期使用。最近研究人員又把目光投向了過(guò)渡金屬元素，如鐵和鈷。比如實(shí)驗(yàn)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M(jìn)FC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(diǎn)：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(yùn)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(xì)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(zhǎng)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(dá)到320mW/㎡。當(dāng)去除生物膜后功率密度會(huì)顯著下降，從原來(lái)的270降到了2.8，這就證明生物膜對(duì)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(xué)還原和生物再氧化過(guò)程，在MFC中首次實(shí)現(xiàn)了生物陰極過(guò)程。陰極發(fā)生的反應(yīng)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(xué)還原和生物再氧化過(guò)程，在MFC中首次實(shí)現(xiàn)了生物陰極過(guò)程。陰極發(fā)生的反應(yīng)可以分為兩步：三價(jià)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(shì)是可以阻止氧通過(guò)PEM擴(kuò)散到陽(yáng)極，防止氧氣消耗電子導(dǎo)致庫(kù)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(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)微生物在低碳源或無(wú)碳源條件下的反硝化作用，避免在水處理過(guò)程中補(bǔ)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(shí)現(xiàn)生物反硝化也使得其在實(shí)際應(yīng)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(yán)格厭氧條件，因此，作為研究對(duì)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(shù)MFC同步的脫氮除碳是：研究人員在MFC陽(yáng)極利用微生物去除有機(jī)物產(chǎn)生電子，同時(shí)在陰極利用硝酸鹽還原菌催化硝酸鹽還原，從而實(shí)現(xiàn)在去除有機(jī)物的同時(shí)，脫去污水中的氮。

18微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展1.與MEMS(microelectromechanicalsystem)結(jié)合的微生物燃料電池。美國(guó)加州大學(xué)Berkerley分校機(jī)械工程系的lin出于對(duì)無(wú)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(dá)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(gè)微小的空室，用于放置進(jìn)行發(fā)酵作用的微生物。葡萄糖溶液通過(guò)平行的流體槽道進(jìn)入到這個(gè)微小空室中。在微生物進(jìn)行發(fā)酵的過(guò)程中，產(chǎn)生氫質(zhì)子和電子。19Lin的實(shí)驗(yàn)中，在長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)小時(shí)的過(guò)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(dòng)MEMS（microelectromechanicalsystem）器件，同時(shí)，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(shù)的融合，可能是未來(lái)微機(jī)械和微型燃料電池的一個(gè)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(jìn)展20由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家Logan率領(lǐng)的一個(gè)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(shí)驗(yàn)室里該設(shè)備能提供的電功率可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)小電風(fēng)扇。雖然目前產(chǎn)生的電流不大，但該設(shè)備改進(jìn)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(dá)到500W～1000W.等技術(shù)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(rèn)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(jìn)展21微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展是一種通過(guò)分解有機(jī)物質(zhì)作為能源驅(qū)動(dòng)力的機(jī)器人?；谖⑸锶剂想姵兀∕FC）技術(shù)的吃肉機(jī)器人如下圖所示的是一種吃肉機(jī)器人，它所依靠的正是典型的微生物燃料電池技術(shù)，可將食物的能源轉(zhuǎn)化為電流。以葡萄糖溶液作為基礎(chǔ)燃料，利用發(fā)酵來(lái)起作用。這種基于微生物燃料電池的吃肉機(jī)器人，主要包括以下幾個(gè)必要部件：生物催化劑，氧化還原反應(yīng)的中介物；一個(gè)陽(yáng)離子交換隔膜；電極；陰極氧化反應(yīng)物（例如圖中的鐵氰化物ferricyanide