微生物燃料电池
微生物燃料电池
必需
阴极
石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳
必需
阳极室
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
必需
阴极室
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
非必需
质子交换膜
质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸
必需
电极催化剂
铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体
非必需
生物燃料电池
• 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
• 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
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
1.介体微生物燃料电池
2.无介体微生物燃料电池
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，
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。
➢从60 年代后期到70 年代，直接生物燃料电
微生物燃料电池(MFC)
检测活性污泥中的混合菌是否具有既可以降解纤维素又可以产生电能的能力.
研究目的
材料及方法
微生物及培养基 Cultures :G. sulfurreducens(吃铁的土壤细菌 ) (ATCC 51573) and C.cellulolyticum (纤维素分解菌)(ATCC 35319) frozen stock cultures were cultured anaerobically in Balch tubes. Media :The media used for the two strains had identical components except for the electron donor and electron acceptor. Both media contained(per liter) 1.05 g of NH4Cl, 1.5 g of KH2PO4, 2.9 g of K2HPO4.3H2O, 0.2 g of MgCl2.6H2O, 0.075 g of CaCl2.2H2O, 10 mL of trace mineral mix, and10mLof铁的土壤细菌 的培养基中通入N2-CO2 (80:20) 及在纤维素分解菌培养基中通入纯N2 ,以确保培养基中没有氧气,然后灭菌.
另外,吃铁的土壤细菌 以1.64 g 醋酸钠为电子供体, 13.7 g 的柠檬酸铁作为电子受体.纤维素分解菌培养基中加有2 g 羧甲基钠纤维素(CMC)及0.5 g 的酵母提取物.
虽然许多细菌都具有电化学活性，但是没有发现没有一种细菌既可以降解纤维素又可以利用其降解产物产生电能．因此我们在本实验中采用两种微生物Clostridium cellulolyticum (纤维素分解菌)和Geobacter sulfurreducens(吃铁的土壤细菌)．
微生物燃料电池
微生物燃料电池12级新能源材料，程妮，学号106微生物燃料电池(microbial fuel cells ，MFCs)是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，是一种生物反应器。
自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始，有关MFCs 的研究一直在进行，但进展缓慢。
直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极，MFCs 的研究获得了突破性进展。
目前，MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善，体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。
一、原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物(例如，葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等)，产生电子和质子。
产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。
产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。
在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。
如图所示为MFCs 的工作原理示意图。
典型反应如下：阳极：C 6H 1206+6H 20一6C02+24H ++24e -阴极：602+24H ++24e -一一12H 20二、微生物燃料电池的结构微生物燃料电池主要有三种结构类型，即单室结构、双室结构和填料式结构。
［1］(一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂，无需曝气，因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。
单室的功率密度为480～492mW ／m 2，单室MFCs 无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。
但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10％，而双室则为42％～61％)。
(二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室，中间由PEM 或盐桥连接。
双室的功率密度为38～42mW ／m 2。
MFCs 从外形上又分为平板型和管型。
以厌氧污泥为活性微生物，以葡萄糖为底物，以颗粒石墨为阳极的管状ACMFCs，其最大功率密度达到50．2W／m2。
微生物燃料电池的原理与应用
微生物燃料电池的原理与应用微生物燃料电池，是一种能将有机物转化为电能的电化学装置，它是利用微生物的代谢过程将有机物氧化成二氧化碳和水的同时，分离出电子并利用这些电子来发电的过程，因其被广泛认为是一种环保、高效的发电方式而备受关注。
一、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池可分为两种类型：微生物燃料电池和微生物电解池。
微生物燃料电池的基本构成是阴极和阳极，分别连接有一个外部电路和一个离子传递膜。
阴极氧化还原电位低，阳极则相反，二者间产生电势差，从而使溶解在电解液中的电子从阳极流向阴极。
微生物燃料电池的电子传递与有机物的代谢结合在一起，其微生物催化反应是由微生物代谢产生的活性物种，例如：酵母菌、细菌等进行的。
微生物燃料电池的原理基于微生物的一种叫做“膜质电子传递”的过程，这个过程在微生物细胞内构成一个非常复杂的代谢网络，因此在实践中实现此原理的操作难度非常大。
在微生物燃料电池中，微生物以有机物为代谢物，通过酶促反应分解代谢物，释放负电子给阳极，带上质子沿着固定的质子通道进入阴极，在阴极与正氧还原反应中，与外部的氧气结合，释放电子产生电流。
总的来说，微生物燃料电池利用微生物代谢作为电流来源，通过交互作用将化学能转化为电能，实现了燃料与电能的互换，为电能领域的研究和发展开辟了新的道路。
二、微生物燃料电池的应用微生物燃料电池可应用于各环境下人们的电力供应，其中地下水、土壤等环境下的微生物燃料电池使用最为广泛。
目前，微生物燃料电池用于发电和废弃物处理已成为研究热点，已有微生物燃料电池的废水处理工厂在运行中。
微生物燃料电池主要应用于下列环境：1. 地下水：微生物燃料电池可以利用地下水种群的生物活性来产生电，并对水质进行监测，是一个理想的地下水检测工具。
2. 生物土壤：通过微生物燃料电池，土壤中的有机物质可以被清除而发电产生热能。
微生物燃料电池在荒野中同样适用，它可以优化废弃物的输送，防止水体污染。
3. 医疗应用：很多手术器械和生命维持设备使用电池供电，如心脏起搏器、胰岛素泵等设备，当电池能量耗尽时将导致严重的后果。
能源储存与利用的微生物燃料电池研究
能源储存与利用的微生物燃料电池研究能源问题一直是全球关注的焦点问题，而随着科技的发展，人类对新型能源的探索也越来越深入。
在这些新型能源中，微生物燃料电池成为了越来越受关注的一种。
一、微生物燃料电池的定义微生物燃料电池是一种利用微生物代谢活动产生的电子来产生电力的新型能源技术。
其原理是通过将微生物植入特定电极中，在有机底物的存在下产生电子，使电极上的电能增加，从而实现对有机底物的储存和利用。
二、微生物燃料电池的优点相较于传统化石能源和电池，微生物燃料电池具有以下优点：1、相比传统电池，微生物燃料电池是一种可以重复利用的能源，尽管其能量密度相对较低，但其工作效率具有极高的可持续性。
2、微生物燃料电池所利用的有机底物来源广泛，可以利用自然资源的任何生物质废料，例如纤维素或厨余垃圾等，可以有效减少环境污染。
3、微生物燃料电池还具有成本低、占用空间少等特点。
三、微生物燃料电池的工作原理微生物燃料电池的工作原理分为两种：1、单室微生物燃料电池单室微生物燃料电池是指微生物燃料电池中产生电能的微生物都存在于一个反应器中，产生电子的过程发生在同一环境中。
电池的电子转移通路是电极–微生物–底物的，经过两个电极产生电子移动，从而形成电子流，并最终将电子传递到另一个电极中。
2、双室微生物燃料电池双室微生物燃料电池是指将微生物的存在分为两个传递区域，在两个传递区域之间产生电子，通过外部线路完成电能的转换。
（图1 单室微生物燃料电池工作原理示意图）（图2 双室微生物燃料电池工作原理示意图）四、微生物燃料电池的研究现状目前，微生物燃料电池的研究主要集中在三个方面：1、微生物燃料电池的发电机理研究研究人员通过实验和模拟分析，不断深入探索微生物燃料电池的发电机理，从而更好地理解其中的内在机制。
2、微生物燃料电池的性能优化研究研究人员对微生物燃料电池的设计和操作进行了不断优化，例如改进电极材料、优化反应器等等。
3、微生物燃料电池在实际应用中的研究微生物燃料电池的应用也广泛被研究，包括但不限于区域微电网、废水处理、室内和户外照明、移动设备装置电源。
微生物燃料电池课件
2 污水处理
微生物燃料电池可以同时 处理废水和产生电能，实 现高效的污水处理。
3 远程地区供电
微生物燃料电池可以在没 有外部电源的情况下，为 远程地区提供可靠的电力。
微生物燃料电池的优势
可持续性
微生物燃料电池利用有机废料 等资源，具有可持续性和循环 利用的特点。
低排放
与传统能源相比，微生物燃料 电池几乎没有排放有害气体和 污染物。
微生物燃料电池课件
微生物燃料电池是一种能够将有机物质转化为电能的可再生能源技术。通过 利用微生物代谢过程中释放的电子，实现能量的转换。
微生物燃料电池的定义
微生物燃料电池是一种利用微生物来转化有机物质为电能的装置，将化学能 转化为电能的可再生能源技术。
微生物燃料电池的原理
• 微生物通过代谢过程将有机物质氧化，产生电子。 • 电子在电极表面传导，形成电子流。 • 电子流通过外部电路，驱动电子器件工作。 • 电子最终在电极上与氧气还原，完成电化学反应。
灵活性
微生物燃料电池可以适应不同 的环境和能源需求，具有较高 的出能量 微生物选择 系统可靠性
目前微生物燃料电池的输出能量相对较低，需要 进一步提高效率。
不同的微生物对于废料的降解能力和电子转化效 率有所差异，需要筛选合适的微生物。
微生物燃料电池需要保证长期稳定运行，提高系 统的可靠性和实用性。
微生物燃料电池的组成部分
生物阳极
这是一个支持微生物生长和 氧化过程的电极，通常由碳 材料制成。
电解质
电解质用于隔离阳极和阴极， 同时允许离子的传输。
阴极
阴极是电化学反应的场所， 它与阳极连接形成电子流。
微生物燃料电池的应用
1 可再生能源
微生物燃料电池可以将有 机废料转化为电能，提供 可再生的能源。
微生物燃料电池的研究和应用
微生物燃料电池的研究和应用微生物燃料电池是近年来备受关注的一项颇具潜力的清洁能源技术。
它利用微生物的代谢活动将有机废弃物转化为电能，不仅具有环保、可再生的特点，还可以从废物中回收能源。
本文将从研究和应用两个方面来探讨微生物燃料电池的发展。
一、微生物燃料电池的研究1.1 微生物燃料电池的基本原理微生物燃料电池以微生物为媒介，将废弃物中的有机物质通过微生物的代谢活动转化为电子。
它利用了微生物的生物电化学反应，通过氧化废弃物中的有机物质，将其转化为电子和质子。
微生物使用特殊的酶来催化这些反应，将有机物质转化为二氧化碳和电子，电子则在电极上流动，产生电流。
这样就实现了能量的转化和回收。
1.2 微生物燃料电池的研究进展微生物燃料电池的研究已经取得了一些重要的进展。
科研人员不断改进电极材料和微生物种类，以提高微生物燃料电池的性能和效率。
一些新型电极材料，如天然石墨烯和金属有机骨架材料，具有更好的电导性和催化性能，可以促进微生物燃料电池的反应速率。
此外，研究人员还发现了一些新型的电转移体系，可以增强微生物和电极之间的电子传输效果。
二、微生物燃料电池的应用2.1 微生物燃料电池在环境污染治理中的应用微生物燃料电池可以将有机废弃物转化为电能，为环境污染治理提供了一种创新的方法。
传统的废弃物处理方法可能会产生二氧化碳和其他有害物质，而微生物燃料电池可以将有机物质完全转化为电能和无害的气体。
这样不仅减少了废弃物的排放，还产生了电能用于其他用途，减少对传统能源的需求。
2.2 微生物燃料电池在能源回收利用中的应用微生物燃料电池可以将废弃物中的有机物质转化为电能，实现能源的回收利用。
在农村地区或偏远地区，由于缺乏传统能源供应，微生物燃料电池可以成为一种非常有前景的能源解决方案。
通过收集并处理有机废弃物，可以提供可再生的电力供应。
此外，微生物燃料电池还可以在生活垃圾处理过程中提供有价值的资源回收，如有机肥料的产生。
2.3 微生物燃料电池在生物传感器中的应用微生物燃料电池还可以应用于生物传感器领域。
微生物燃料电池技术研究与发展
微生物燃料电池技术研究与发展一、引言微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是一种能够通过微生物的代谢产生电能的设备，已经成为新能源领域的研究热点之一。
本文将介绍微生物燃料电池技术的研究与发展情况。
二、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池的基本原理是利用微生物（通常是细菌）在低氧条件下将有机物氧化为电子和质子，从而产生电流。
MFC通常由两个电极（阳极和阴极）和一个电解质介质组成。
微生物在阳极附近氧化有机物，释放出电子和质子。
电子经过外部电路流至阴极，与来自外部的氧气或其他氧化剂结合，形成水。
质子则通过电解质介质流动到阴极，与那里的氧气结合形成水。
三、微生物燃料电池的类型微生物燃料电池可以根据其结构和操作方式分为多种类型。
常见的类型包括双室型MFC、单室型MFC、厌氧型MFC、好氧型MFC等。
双室型MFC是最早被研究的一种MFC类型，由两个相互隔离的室构成。
微生物在阳极室或阴极室中生长，通过离子交换膜或盐桥来实现电荷传递。
单室型MFC将阳极和阴极放置在同一个室内，通过电子中介体来传递电子和质子。
厌氧型MFC在无氧环境中操作，适用于处理废弃物水和废气等。
好氧型MFC则在有氧条件下操作，通过微生物在阳极上氧化有机物来产生电流。
四、微生物燃料电池的应用微生物燃料电池技术在多个领域具有广阔的应用前景。
1. 环境领域：微生物燃料电池可以用于处理废水和污水，将有机物转化为电能。
同时，MFC还可以减少温室气体排放，实现废水资源化利用。
2. 能源领域：微生物燃料电池可以作为一种新型的清洁能源来源。
通过利用可再生有机物，如废弃物、农业废弃物和生物质，来产生电能，实现能源的可持续发展。
3. 生活领域：微生物燃料电池可以应用于可穿戴设备、生物传感器和远程监测等方面，提供便携式、自供电的解决方案。
五、微生物燃料电池技术的挑战与展望尽管微生物燃料电池技术在许多领域具有广泛的应用前景，但仍然存在挑战。
微生物燃料电池
微生物燃料电池微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
目录物质解析分类介体性能参数进展物质解析依据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。
所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；假如燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。
依据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。
分类介体向微生物燃料电池中添加的介体重要有两种：第一类是人工合成的介体，重要是一些染料类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。
这些介体必需充足肯定的条件：（1）能穿透进入微生物的细胞内发生氧化反应；（2）特别简单得电子；（3）在被还原之前能快速离开微生物细胞；（4）在阳极表面有很好的电化学活性；（5）稳定性好；（6）在阳极电解液中是可溶的；（7）对微生物没有毒性；（8）不会被微生物代谢掉。
第二类是某些微生物自身可以合成介体，如PseudomonasaeruginosastrainKRP1能够合成绿脓菌素和吩嗪—1—甲酰胺等物质，它合成的介体不光本身可以使用，其它的微生物也可以利用它产生的介体传递电子。
作用原理参加传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：（1）微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电子传递给电极；（2）介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体内出来后再将电子传递给电极；（3）微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。
优势与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；其次，不同于现有的全部生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，由于它所产生的废气的重要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，由于若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来充足我们对能源需求的燃料的多样性。
微生物燃料电池
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◆在应用范围内，很少使用纯菌，而多数使 用的为混合菌群。相较与纯菌，混合菌具 有阻抗环境冲击能力强、利用基质范围广、 降解底物速率和能量输出效率高的优点。 通常使用的是厌氧发酵液、河道的厌氧底 泥以及污水处理厂的厌氧活性污泥。
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三、微生物燃料电池反应器结构
单室MFC反应器
双室MFC反应器
双室MFC最大的缺点是必须不断补充电解质, 而且阴极室必 须曝气。但单室MFC 可以省略阴极室而将阴极直接与质子 交换膜 粘合后面向空气放入阳极室构成阳极室的一壁,而 且不需要曝气, 空气中的氧气直接传递给阴极, 从而不仅 增大了反应器容积, 可以提高产电量, 而且可以节省专门 通气的能耗。
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结构图
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二、产电微生物
（一）、无介体MFCs中单一菌种
铁还原菌（shewanella）、梭菌属（Clostridium）、 Pseudomonas aeruginsad等 形式：1. 传递电子通过纤毛、菌毛传递电子； 2.细胞膜上的细胞色素传递电子； 3.自身分泌物或代谢产物传递电子
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（二）、有介体
混合菌种
◆ 产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus）、 Geobacter metallireducens 、嗜水气单胞菌 （Aeromonas hydrophila）等 ◆ 作用形式： (1) 微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在 溶液中的介体，介体再将电子传递给电极； (2)介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物 体内出来后再将电子传递给电极； (3) 微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给 在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。
微生物燃料电池 （MFCs）
微生物燃料电池的研究与应用
微生物燃料电池的研究与应用微生物燃料电池是一种利用微生物对有机废料进行氧化反应产生电能的电池，它将化学能转化为电能，具有很大的潜力来满足能源需求和环境保护方面的要求。
微生物燃料电池的研究和应用已经引起了广泛的关注。
本文主要探讨微生物燃料电池的原理、研究、应用及其未来发展。
一、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池的原理基于微生物的电化学活性，它利用微生物在抑制氧气供应条件下，通过将有机废料进行氧化反应而产生电能。
这种微生物生产电能的反应是在一个由电极、电解液和微生物体系组成的系统中进行的。
在微生物燃料电池中，微生物可以被分为两种类型：一种是可以直接从界面处通过外部电极释放电子的微生物，另一种是需要利用中间物转化电子的微生物。
如图1所示，微生物燃料电池由两部分组成：阳极和阴极。
阳极是一个由导电材料制成的电极，且通常与微生物和有机物质接触，因此也称为微生物阳极。
阳极上的电子通过外部电路传输到阴极，达到电子闭合的目的。
阴极则是由电子接收体组成的电极，可以是氧气、硫酸根或者其他物质。
《图1：微生物燃料电池原理示意图》微生物燃料电池的反应过程中，阳极所处的环境可以为一些有机废料或污水，这些物质将会被微生物利用，通过氧化反应转化为二氧化碳和电子，进而产生电流。
电子从阳极流向阴极，这个过程就是电荷的传输。
在这个过程中，电子穿过了一个由离子交换膜或离析器划分的内部电解液。
这个电解液中通常含有阳离子和阴离子，以维持阳极和阴极之间的电荷平衡。
整个过程中，微生物的代谢活动分别发生在阳极和离子交换膜或离析器上，转化了废弃物质并产生出电流。
二、微生物燃料电池的研究微生物燃料电池的研究始于二十世纪六十年代。
这个领域的研究者一直在为了发现高效率、廉价的微生物燃料电池进行探索。
他们首先研究了单个单元燃料电池，即单个电子交互反应模型。
在此模型中，单元电池仅包含一个阳极和一个阴极。
之后，研究者们开发出了多层燃料电池的概念。
在多层燃料电池中，一层阳极上的细菌群体可以以电子中介物的形式传递电子到下层阳极上的细菌群体。
微生物燃料电池的构建与性能研究
微生物燃料电池的构建与性能研究1. 序言微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）作为一种新型的生物电化学能源转换技术，在能源领域引起了广泛的关注。
通过利用微生物的代谢活动，在双电极之间实现电子传递，从而将生物化学能转化为电能。
其具有可再生性、低成本和环保等优点，被认为是未来可持续能源的重要研究方向之一。
本文将围绕微生物燃料电池的构建与性能展开深入研究，探讨其在能源转化领域的重要应用及未来发展方向。
2. 微生物燃料电池的基本原理微生物燃料电池是利用微生物在阳极和阴极之间的代谢活动，实现有机物氧化和电子传递的过程而产生电能的一种新型生物能量转换技术。
在微生物燃料电池中，阳极是微生物的代谢活动场所，微生物通过氧化有机物释放出电子和质子，质子向阴极迁移，电子则通过外部电路向阴极传递，从而在负载电路中产生电流。
阴极接受来自阳极的电子和质子，并与氧气等氧化剂发生还原反应，从而完成电子传递和电化学反应。
3. 微生物燃料电池的构建构建微生物燃料电池需要精心设计和组装多个部件，包括阳极、阴极、电解质和负载电路等。
阳极是微生物燃料电池中至关重要的部件，通常采用碳纳米管、石墨烯等导电材料修饰，以增强其电导率和反应活性。
阴极则主要采用氧还原催化剂，如铂、碳基材料等，以促进氧还原反应的进行。
电解质在微生物燃料电池中起着离子传导的作用，常见的电解质包括磷酸盐缓冲液、盐溶液等。
负载电路则用于收集和传递电子，通常由电阻、电容等元件组成。
4. 微生物燃料电池的性能评价微生物燃料电池的性能评价通常包括电压、电流、功率密度等指标。
电压是微生物燃料电池输出的电压，反映了电子传递的效率和阳极和阴极的反应活性。
电流则表示电子在外部电路中的流动强度，直接影响电能的输出。
功率密度则综合考虑电压和电流，是评价微生物燃料电池整体性能的重要指标。
通过对这些性能指标的评价，可以全面了解微生物燃料电池的工作状态和性能优劣，为后续研究和优化提供依据。
第四章 微生物燃料电池 第一节 MFC概述
进入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。 1987年，Lovley等人从波拖马可河底沉积物中分离出的 Geobacter metallireducens是一种可以不通过氧化还原介 体氧化有机物转移电子，并以Fe(III)为电子受体最终使无定 形三价铁氧化物还原而具有磁性。随后的研究表明，这种微 生物具有电化学活性，它们能够在没有外加介体的条件下可 以把电子从底物中的转移到阳极板上。这种电子传递归功于 吸附在电极上的大量细胞，电子传递速率与柠檬酸铁做电子 受体时的速率相似，库仑效率高达98％。这一发现促进了对 微生物燃料电池的研究。
微生物燃料电池产电性能的影响因素
(3)阴极的超电势 和阳极上一样，在阴极上同样可以观察到电位的损 失。为了避免这个损失，一些研究人员采用投加 六氰高铁酸盐溶液。然而，六氰高铁酸盐在空气 中并不能被空气完全氧化，因此它只是电子受体 而不是介体。为了正常运行，微生物燃料电池的 阴极应该为一个敞开的电极。
Electricity Production in a Microbial Fuel Cell
A MFC is a device that use bacteria to oxidize organic matter and produce electricity. The bacteria (attached to the anode) produce electrons that travel to the cathode (current).
微生物燃料电池的优化设计与研究
微生物燃料电池的优化设计与研究微生物燃料电池是一种新型的清洁能源转换技术，能够将有机废弃物、废水等生物质材料转化为电能，与传统化石能源相比，微生物燃料电池具有环保、可再生、低成本等优点。
但是现阶段微生物燃料电池的能量密度、稳定性和效率等仍有待进一步提高和优化，本文主要讨论微生物燃料电池的优化设计与研究。
一、微生物燃料电池的基本原理微生物燃料电池是利用微生物代谢产生电流的一种技术，其基本原理是利用微生物在特定条件下进行有机物氧化还原反应，产生电子，进而通过电极将电荷转移形成电流。
微生物燃料电池的核心部件主要包括阴阳极、电解质和微生物质。
二、微生物燃料电池的优化设计与研究（一）微生物质的筛选与改良随着对微生物燃料电池的研究不断深入，微生物的选择以及改良也成为研究的关键之一。
目前，已经有许多研究人员通过筛选出高效微生物并通过时间进化等方式对微生物进行了改良。
（二）电极材料的选择与表面改性在微生物燃料电池中，电极材料起着极为重要的作用，它不仅能影响反应速率和机理，还直接关系到产生的电能效率。
因此，选择合适的电极材料，并对其表面进行改性是提高微生物燃料电池的效率的重要手段之一。
目前，常用的电极材料包括碳材料、金属材料和氧化物材料等。
（三）电解质的选取和桥接电解质是微生物燃料电池中作为导电媒介的重要组成部分，其选取和桥接直接影响着微生物燃料电池的性能。
例如，在微生物燃料电池中，常用的电解质包括磷酸盐缓冲液、钙盐和有机盐等。
（四）微生物燃料电池的运行条件微生物燃料电池的运行条件也极为重要，其不仅是影响微生物代谢活性和电荷转移的关键因素，也是提高微生物燃料电池性能的关键点。
常见的微生物燃料电池运行条件包括温度、pH值、电流密度、氧气供应等。
三、微生物燃料电池的应用前景微生物燃料电池具有广泛的应用前景，它能够对不同类型的有机废弃物和废水进行转化利用，为环保事业和清洁能源的发展做出重要贡献。
未来，微生物燃料电池技术将被广泛应用于生活垃圾和工业废水等处理领域，从而解决环境污染问题，并带来可再生、低成本的能源生产方式。
生物医学工程中的微生物燃料电池研究
生物医学工程中的微生物燃料电池研究在当今社会中，能源的问题一直是世界所关注和研究的重点。
传统能源的使用短期内难以突破瓶颈，而新能源的研究和应用则迎来了前所未有的机遇。
微生物燃料电池就是其中之一，它能够将废弃物或者有机物质转换为电能，成为了未来可持续性能源的重要研究方向。
一、微生物燃料电池的基本原理和分类微生物燃料电池是利用生物体内的微生物菌群将有机物质进行消化代谢，最终将代谢产物的电子通过电化学反应转化为电能的一种新型化学能源。
微生物燃料电池可以分为膜生物燃料电池和无膜生物燃料电池两类。
其中，膜生物燃料电池是指通过离子交换膜来隔离阳极和阴极，达到防止阳极的氧化和非特异性重组过程的目的。
无膜生物燃料电池是指利用生物体细胞自身的电流传递途径进行电极反应与能电转换。
二、微生物燃料电池研究的困难和挑战微生物燃料电池的研究相对于传统电池仍处于起步阶段，其受到一些困难和挑战的影响。
其一是微生物燃料电池的电子和质子传输效率相对较低，容易导致功率密度不稳定、产生频繁的维修和改进。
其二是高效的微生物菌群筛选依然需要考虑到电子和质子传递的系统完整性、抗腐蚀性、长时间持续的发电功率等多个因素。
其三是微生物燃料电池作为生物电化学反应系统，处于不稳定的生态环境中，需进一步优化发电效率和长效稳定性。
三、微生物燃料电池在生物医学工程中的应用微生物燃料电池在生物医学工程中的应用是目前研究的一个重要方向。
其主要通过利用包括血液、尿液等在内的人体废弃物产生电能，实现可持续的生物能源的回收。
借助微生物菌群的分类、化学性质和电极反应等特性，微生物燃料电池渐渐成为一项高效、经济、具有可持续性发展的技术。
其可应用于监测患者生命体征和组成物质，缓解病房热量和二氧化碳问题，实现无界限的便携小型发电设备等应用场景。
四、微生物燃料电池未来的发展方向微生物燃料电池作为一种绿色能源具有极大的市场前途。
近年来，世界各国在这一领域的研究和发展十分活跃。
在未来的发展过程中，微生物燃料电池还需要通过进行微生物污染和酸碱平衡等方面的改进来提升其性能，同时也需要增强电池的产生功率，以便达到更加广泛的应用场合和丰富的功用。
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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。
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。
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）。
• 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。
• 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
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
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。
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 %。
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。
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；
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
非必需
必需 非必需
生物燃料电池
• 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
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。
生物燃料电池
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
生物燃料电池
• 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）。
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：
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
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
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生物燃料电池
END
微生物燃料电池
microbial fuel cell
姓名
NAME
•
学号
NUMBER
•
学院
SCHOOL
•
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 fБайду номын сангаасel 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。
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。