微生物燃料电池

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生物燃料电池
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三：微生物燃料电池的问题与展望
生物燃料电池
微生物燃料电池的关键问题 • 动力学问题： 解决途径：1）选择产电效率高的菌种； 2）选择适合的不同菌种进行复合 培养，使之在电池中建立这种所谓的共生 互利关系，以获得较高的输出功率； 3）增大阳极的表面积。
生物燃料电池
• 内阻问题： 内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明 其在提高电池的输出功率方面具有重要作 用。 1）PEM对内阻的影响 2）PEM和电极的空间距离对内阻的影响 3）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的 影响
• 依据微生物种类分类
纯菌型：腐败希瓦菌、地杆菌、酸梭菌等 混菌型：抗冲击能力强，更高的底物降解率， 更低的底物专一性和更高的能量输 出效率
• 依据微生物燃料电池的外型分类
双室微生物燃料电池构造简单，易于改变运行条件 (如极板间距，膜材料，阴阳极板材料等)。 单室微生物燃料电池直接以空气中的氧气作为氧化 剂，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子 交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低， 只有30％。
80年代后，对于生物燃料电池的研究又活 跃起来，采用氧化还原介体的微生物燃料 电池的研究全面开展。氧化还原介体的广 泛应用，使生物燃料电池的输出功率密度 有了很大提高，显示了它作为小功率密度 电源的可能性。但由于介体(中性红、亚甲 基蓝、劳氏紫等)昂贵并且一部分具有毒性， 阻碍了微生物燃料电池的进一步发展。 90 年代初，我国也开始了该领域的研究。
环境污染治理 1、使用MFC技术进行生物修复 研究表明，MFC系统可以再厌氧条件下用于提高 被石油污染的地下水的生物修复速率。 2、用于难降解有机物的去除 当构建一个以葡萄糖和偶氮燃料为基质的生物阴 极型MFC时，污染物的去处速率显著加快，脱色率 得到提高。 3、制成BOD生物传感器，对受污染水体进行预警， 甚至能够为边远海域的导航系统提供电源（SMFC）。
2.微生物燃料电池发展简史
1911年，英国植物学家Potcer用酵母和大 肠杆菌进行试验，首次发现利用微生物可 以产生电流，拉开了微生物燃料电池研究 的序幕。 40多年后，美国基于研究开发一种用于空 间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的 生物燃料电池，间接微生物电池占主导地 位。先利用微生物发酵产生氢气或其它能 作为燃料的物质，然后再将这些物质通入 燃料电池发电。
• 微生物电解池（MEC），一种新型的利用废水产氢技术。 由于产电细菌能够释放电子，所以可以利用MFC形式的反 应器进行产氢。微生物氧化底物释放电子，这些电子与同 步产生的质子结合形成氢气，但是这个过程无法自行完成， 需要一个电化学来辅助其产氢气。即在电路中施以外加电 压。所以这个过程也称为电辅助产氢。 • 微生物脱盐池（MDC），用于淡化盐水。目前的海水淡 化技术要高压及大量的电能。研究人员构建的以醋酸为底 物，不同初始浓度的盐水的MDC，脱盐率能达到90%。
3.微生物燃料电池的分类
• 依据微生物的营养类型分类：
异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电 能； 光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌) 利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出 电能； 沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液 相间的电势差产生电能。
• 依据电子的转移方式分类
微生物燃料电池
microbial fuel cell
姓名
NAME
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学号
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学院
SCHOOL
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一：微生物燃料电池概述
生物燃料电池
1.概念
燃料电池（fuel cell）：一种将储存在燃料和氧化 剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装 置。 生物燃料电池（biofuel cell）：利用酶或者微生 物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能 的发电装置。 MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作用 进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用 等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。 在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可 以在常温常压下进行能量转换。
非必需
必需 非必需
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• 质子交换膜(PEM)
PEM 对电池产电性能影响也很大。 在双室MFCs 中,PEM 的作用不仅体现在将阳极室 和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极 室内氧气扩散至阳极室。 在单室MFCs 中,一般采用“二合一”电极,即将 PEM 热压在阴极内侧。
生物燃料电池
从60 年代后期到70 年代，直接生物燃料电 池逐渐成为研究的中心。热点之一是开发 可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏 等人造器官电源的生物燃料电池。这种电 池多是以葡萄糖为燃料，氧气为氧化剂的 酶燃料电池。 锂碘电池的研究取得了突破，并很快应用 于医学临床。生物燃料电池研究因此受到 较大冲击。
阳极材料
一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极, 如碳、石墨等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和 加入其他的催化剂。
1.对材料的改性
• Zeikus等报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度, 然 后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作 为阳极。结果表明，这些改性阳极产生的电流功率是平板 石墨的115～212倍。 • Cheng等将用氨气预处理过的碳布作为MFC 的阳极,结果表 明,预处理过的碳布产生的功率为1640 mW/ m2 ,要大于未预 处理过的功率,并且MFC 的启动时间缩短了50 %。
阳极反应：
(CH2O)n＋nH2O
nCO2＋4ne-＋4nH+
2H2O
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
PEM
阳极室
阴极室
微生物燃料电池工作原理
生物燃料电池
• 间接MFC：需要外源中间体参与代谢，产 生电子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、 普通变形杆菌和大肠杆菌等； • 直接MFC：代谢产生的电子可通过细胞膜 直接传递到电极表面；如地杆菌、腐败希 瓦式菌和铁还原红螺菌等；
二：微生物燃料电池工作原理
MFC的基本工作原理：
e负载
e-
CO2
O2
eeH+ 有机物 微生物 H+ H2O
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生 物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电 池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成 回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴 极，与电子受体 （氧气）反应生成水。其阳极 和阴极反应式如下所示：
1.无介体微生物燃料电池 介体微生物燃料电池 2. ������ 指微生物燃料电池中的细菌能分泌细 微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等 胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由 不导电物质，对电子传递造成很大阻力， 细胞膜内转移到电极上。 需要借助介体将电子从呼吸链及内部代 ������ 目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌、 谢物中转移到阳极。在微生物燃料电池 地杆菌，酸梭菌、粪产碱菌、鹑鸡肠球菌 中加入适当的介体，会显著改善电子的 和铜绿假单胞菌等。 转移速率。
2 .加入其他催化剂
• Qiao等报道了用碳纳米管/ 聚苯胺(CNT/ PANI)作为MFC 阳极。 • Kargi 等用铜和铜- 金导线来代替石墨电极作为MFC 的阳 极,结果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也 随之增大。 • Rosenbaum等研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极, 获得了不错的效果,其电化学活性和化学稳定性作为微生 物燃料电池的阳极是适合的。
阴极材料
阴极是制约MFC产电的主要原因之一。最理 想的阴极电子受体应当是氧气，但是氧气的 还原速度较慢，直接影响了MFC的产电性能。
• 根据阴极催化剂的种类：
非生物阴极 MFC阴极
生物阴极 好氧型
根据最终电子受体不同
厌氧型
生物阴极可显著降低MFC成本，避免催化剂中毒，提高 非生物阴极常用的催化剂主要有 Pt、过渡金属元素等。 稳定性。 Pt 是最广泛的高效催化剂，能使 的产电性能提高近 4倍。 好氧型生物阴极常以 不锈钢或MFC MnO 2为电子受体；厌 但成本高、稳定性差、也容易造成催化剂污染。 氧型生物阴极常以硝酸盐、硫酸盐、尿素和CO2等 为电子受体。
生物燃料电池
• 传递问题： 反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴 极区电子最终受体的扩散速率是电子传递 过程中的主要制约因素。 氧作为阴极反应的电子受体最大问题是在 水中的溶解度低。 搅拌情况、微生物最大生长率、微生物对 底物的亲和力、生物量负荷、操作温度和 酸碱度均对物质传递有影响。
MFC的最新研究方向
MFC的主要组成部分
生物燃料电池
微生物燃料电池组成
组成成分
阳极 阴极 阳极室
原料
石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳 玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
Hale Waihona Puke Baidu标注
必需 必需 必需
阴极室
质子交换膜 电极催化剂
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸 铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体
• 合适的中间介体 • 中间介体具备条件：1）容易与生物催化剂及电极 发生可逆的氧化还原反应；2）氧化态和还原态都 较稳定，不会因长时间氧化还原循环而被分解；3） 介体的氧化还原电对有较大的负电势，使电池两 级有较大电压；4）有适当极性以保证能溶于水且 易通过微生物膜或被酶吸附；5）对微生物无毒， 且不能被微生物利用。
结语与展望
MFC具有广泛的应用开发前景，但是燃料电池 功率低束缚了MFC的进一步发展。因此，解决 MFC发展的瓶颈因素，应依托生物电化学、生物 传感器、纳米材料、基金工程等技术。深入研究 非贵金属催化剂、阴阳极材料的优化、质子交换 膜的改善、微生物的筛选和培育、生物膜固化技 术、MFC机构的研究与开发。相信在MFC在不久 的将来必定能得到更快的更好的发展。
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电子传递 • 细胞膜直接传递电子 其电子直接从微生物细胞膜传递到电极， 呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高 电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材 料的接触效率。 • 由中间体传递电子 氧化态中间体 还原态中间体 排除体外 电极表面被氧化
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• 电子传递机理： 1）细胞通过其细胞膜外侧的细胞色素C将呼 吸链中的电子直接传递到阳极，如异化还 原铁地杆菌、铁还原红螺菌等； 2）细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子 传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线 （nanowire）。