微生物燃料电池MFC创新-文档资料
微生物燃料电池(1)全解
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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。
具有产电与废弃物处置的双重功效。 微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化 利用方向之一，其研究受到了学术界的极大关注， 有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。
发展历史
1.早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了 细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂做电极， 把它放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造 出了世界第一个微生物燃料电池； 2.1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物 燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过 它的放电率极低； 3.1991 年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水 的范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到 的电池功率才有所增强； 4.近几年, MFC的研究已经成为治理和消除环境污染源, 开发新型能源研究工作者的关注热点。
阳极材料
阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定 MFC产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与 电子传递机理的重要的辅助工具。 现在，MFC阳极是微生物附着的主要场所，其量的多少直接 目前对阳极的研究主要是 关系到产电能力的大小，其必要条件是具有高导电率、高 对导电材料的改性 比表面积、高孔隙率、廉价易造且可回收等。主要是以碳 为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨 加入其他的催化剂 以及碳纤维刷。
微生物燃料电池(MFC)
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。
燃料电池和微生物燃料电池的机理?燃料电池由阳极室和阴极室组由允许质子流动并限制电子流动的电解质隔开?氢气和氧气被输入到电池中?阳极上的催化剂使得氢原子释放电子产生h?氧原子在阴极吸引h?h通过电解质膜?电子通过外部导线到达阴极从而产生电流阳极
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失
微生物燃料电池研究进展
微生物燃料电池研究进展一、本文概述微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种将微生物的生物化学过程与电化学过程相结合的新型能源技术。
近年来，随着全球对可再生能源和环保技术的日益关注，MFC因其在废水处理同时产生电能的优势，受到了广泛关注和研究。
本文旨在综述当前微生物燃料电池的研究进展，包括其基本原理、性能提升、应用领域以及未来挑战等方面，以期为MFC的进一步研究和应用提供参考和借鉴。
MFC的基本原理是利用微生物作为催化剂，将有机物质在阳极进行氧化反应，产生电子和质子。
电子通过外电路传递到阴极，与阴极的氧化剂（如氧气）发生还原反应，产生电能。
同时，质子通过电解质传递到阴极，与电子和氧化剂反应生成水。
MFC的性能受到多种因素的影响，包括微生物种类、电极材料、电解质性质、操作条件等。
目前，MFC的研究主要集中在性能提升和应用拓展两个方面。
性能提升方面，研究者们通过优化电极材料、改进电解质配方、提高微生物活性等手段，提高了MFC的产电性能。
应用拓展方面，MFC已被尝试应用于废水处理、生物传感器、海洋能源开发等领域，展示了其广阔的应用前景。
然而，MFC技术仍面临一些挑战和问题，如产电效率低、稳定性差、成本高等。
因此，未来的研究需要在提高MFC性能的注重其实际应用中的可操作性和经济性。
本文将对MFC的研究进展进行详细的梳理和评价，以期为MFC的进一步发展和应用提供有益的参考。
二、MFC的分类与特点微生物燃料电池（MFC）是一种将微生物的生物化学反应与电化学过程相结合，将化学能直接转化为电能的装置。
根据其结构、运行方式以及电解质的不同，MFC可以分为多种类型，各具特色。
单室MFC：单室MFC是最简单的MFC结构，阳极和阴极位于同一室中，通过质子交换膜分隔。
这种结构使得MFC更为紧凑，但也可能因为质子传递的限制而影响性能。
双室MFC：双室MFC由两个独立的室组成，分别包含阳极和阴极，通过质子交换膜或盐桥连接。
生物燃料电池(MFC)
MFC1. 什么是生物燃料电池（MFC)(07/17/2007)从生物/微生物中提取电能在20世纪初就被发现,直到20世纪70年代陆续有研究文章发表.1980年开始,一些英国的研究者做了不少关于微生物燃料电池(microbial fuel cell---MFC)研究,持续了10年. 到90年代末,美国的一些研究者把这个题目找出来逐步"发扬光大"。
可能因为能源危机的问题,现在MFC的研究表现的越来越热.在这方面做的比较好的是比利时的一个研究组,他们的电池功率目前是最高的.Penn State的Bruce Logan发表的文章最多. 另外Umass的DR Lovley刚拿到一个huge grant $ 23 M, 估计接下来的几年会做出不少的东西.MFC和Fuel cell显著的区别就是anode: MFC在anode里用微生物或者生物酶做催化剂,一般没有Pt.因为生物的存在,anode的温度就不可能很高,一般MFC的运行温度在室温和37C之间.燃料则是"有机物",用于microbe生长. microbes在降解有机物(比如葡萄糖)的时候,产生protons 和electrons,其余的原理就和fuel cell一样了.MFC的cathode也用Pt或者其他化学药品(例如ferricyanide) 来促进反应. MFC产生的功率远小于Fuel cell,最高也就是几W/m2,现在可能提高了一些. 因为MFC和fuel cell应用不同,所以不需要那么高的功率输出. 另外,MFC可能会用于大型反应器,所以anode 的电极不大会用carbon paper,而用一些表面机更大的,象graphite granular;现在计算MFC功率的时候,一般用anode volume (W/m3),而不是电极表面积. MFC 的future application可能是废水处理过程,因为废水可以提供"免费"的有机物让微生物来降解,并且产生电能,一箭双雕. 目前废水处理过程也产生能量,比如甲烷气(methane). 因为methane还需要额外的步骤来发电,而MFC可以一步到位,所以如果MFC可以有high efficiency,比传统的废水处理过程要有不少优势(如果可以达到高效的话).MFC2. 微生物燃料电池中生物阴极的应用(09/04/2007)发展背景微生物燃料电池(microbial fuel cell - MFC)是一种特殊的电化学电池. 它通过微生物在阳极降解有机物产生电子. 而在阴极, 阳极产生的电子和正离子还原氧气,最终产物为水. 电子从阳极到阴极的传输产生电流. 第一个生物电流的实验证明是在十八世纪晚期,Luigi Galvani发现,当用金属导体把青蛙腿连接起来的时候, 有电流反应产生. 为了进一步研究生物电流, Michael C. Potter在1911年建立了第一个微生物燃料电池. 1931年, Barnett Cohen发现在阳极加入铁氰化钾(potassium ferricyanide) 或者苯醌(benzoquinone) 作为电子传输中介物,可以提高电流. 虽然在二十世纪六十年代微生物燃料电池成为一个研究热点, 但是研究人员还无法成功地建造一个可以持续运行的实验装置. 八十年代,英国的研究人员H. Peter Bennetto 成功利用单种细菌和电子传输中介物通过氧化有机物来发电. 同时, 日本的研究人员发现光合自养型的细菌可以把光能转化成电能. 在过去的十年中,因为全球能源危机问题, 微生物燃料电池引起了越来越广泛的关注. 研究的方向包括理解电子传输的机理和建造实用的反应器装置.非生物阴极非生物阴极大多利用氧气为最终电子接收物,也有研究过氧化氢作为阴极氧化物. 因为氧气还原效率在碳/石墨表面很低, 所以通常情况下,阴极反应需要催化剂或者电子传输中介物. 铂是目前使用最广泛的阴极催化剂,但是其材料昂贵, 催化性能容易被一些特殊物质污染.另外, 微生物燃料电池阴极溶液的pH值会随反应而升高, 从而限制铂的催化能力. 电子传输中介物大多是一些含有过渡金属的化合物,比如含铁和钴的物质.生物阴极传统的微生物燃料电池是”半生物性的”,因为只有阳极存在生物反应,而阴极通常采用金属催化剂来完成还原氧气的反应. 但是, 微生物在阴极的生长是不可避免的. 研究人员已经发现了几种在阴极的生物新陈代谢过程,为研究生物阴极开启了大门. 相比于非生物阴极,生物阴极有如下优点: (一) 建造和运行微生物燃料电池的费用可能被降低,因为不再需要贵重金属催化剂, 也不需要添加化合物来作为电子传输中介; (二) 生物阴极可以提高微生物燃料电池的可持续性; (三) 生物阴极里的微生物活动可以被用来产生有用的物质或者去处污染物. 总的说来,生物阴极可以被分为好氧(氧气为最终电子接受物)和厌氧(其他非氧气物质为最终电子接受物)生物阴极.好氧生物阴极氧气是应用最广泛的阴极电子接受物. 氧气有很高的氧化还原电位, 而且大量存在于空气中,降低了使用费用. 好氧生物阴极的一个研究重点是利用过渡金属化合物, 包括锰和铁,协助电子从阴极传输过氧气. 高价位的金属充当临时电子接受物, 从阴极接受电子,通过微生物的”呼吸作用”被还原成低价位金属. 然后低价位的金属被氧气氧化回到高价位, 将电子传输给氧气. 在这个循环过程中,电子从阴极被传送到氧气. 另一种好氧生物阴极则是通过藻类的光合作用为阴极反应提供氧气. 实际应用中, 上述的这些机理可能同时发生. 例如, 研究人员发现海洋生物膜可以提高氧气还原效率. 在这个过程中, 锰化物可能参与电子传输; 另外,藻类的生长也不可避免.厌氧生物阴极在没有氧气的时候,其他物质, 例如硝酸盐,硫酸盐,铁化物和锰化物, 也可以作为最终电子接受物. 其中, 硝酸盐,铁化物和锰化物具有接近氧气的新陈代谢活性,是潜在的替代氧气的阴极电子接受物. 厌氧生物阴极的一个优点就是可以防止氧气通过正离子交换膜渗透到阳极,从而影响到阳极的厌氧微生物生长. 目前为止, 只有硝酸盐和硫酸盐被用于研究. 硝酸盐(+0.74Ｖ)的氧化还原电位比硫酸盐（-0.22V）更接近氧气(+0.82V), 所以更适合做为阴极电子接受物. 利用硝酸盐进行阴极反应, 与硝化反应类似,唯一不同的地方是, 硝化反应通过氧化有机物得到电子, 而生物阴极则依靠阴极供给电子. 比利时的研究人员已经成功将硝酸盐用于阴极的还原反应, 为微生物燃料电池应用在污水处理中的可行性提供了进一步的实验证明.小结生物阴极是一项使微生物燃料电池更具优势和可持续性的技术. 在实现这项技术之前, 我们必须理解阴极的生物电子传输机制, 以便于更合理地选择和利用微生物.MFC3. 微生物燃料电池中的共生现象(09/18/2007)共生现象在自然界普遍存在, 比如动物体内的寄生细菌降解一些动物肠胃无法消化的物质,同时也获取用于自身生长的能量. 再比如, 一种小鸟从鳄鱼的嘴中获取食物, 即帮助鳄鱼清洁了牙齿,同时也利用鳄鱼的嘴做为保护自己的场所, 两者和睦相处. 共生现象有几种类别, 有双方彼此都受益的,也有一方受益另一方不受益, 甚至还有一方受益而另一方受害的. 在废水处理中, 也存在共生现象. 一个典型的代表就是厌氧消化过程中,发酵细菌将复杂的碳水化合物分解成相对简单的有机物(酸). 这些发酵产物随后被其他细菌消食, 例如,醋酸化合物可以被甲烷菌(注: 严格意义上, 甲烷菌不是细菌-bacteria, 而是archaea)利用产生甲烷气体. 微生物燃料电池的阳极类似于废水处理中的厌氧消化过程, 因此, 微生物之间的共生现象不可避免. 最近, 宾州州立大学和麻省大学艾莫斯特分校的研究人员先后发表论文, 从不同的角度研究和探讨了阳极的共生现象.宾州州立大学的研究人员利用细菌Clostridium cellulolyticum分解纤维素, 其产物被另一种细菌Geobacter sulfurreducens用于厌氧呼吸(anaerobic respiration), 产生电子和电流. 纤维素是一种富含有机物的生物物质, 也是一种潜在的生物能源(bioenergy)的载体. 但是它很难被直接利用,需要进行预处理和水解成为简单的碳水化合物,比如葡萄糖. 只有很少的一些微生物(bacteria and fungi)或者特殊的生物酶可以水解纤维素, 产物包括氢气, 醋酸物和乙醇. Clostridium是一种专性厌氧细菌, 因其降解纤维素的特殊能力而受到工业届的广泛重视. 在这项研究中, 科研人员设计了对照实验, 证明C. cellulolyticum可以分解纤维素,但无法产生电流; G. sulfurreducen无法利用纤维素生长,因而也没有电流产生. 但是,当把两种细菌混合起来的时候,微生物燃料电池产生出了电流. 而且, 当G. sulfurreducen存在的时候, 纤维素(carboxymethyl cellulose-CMC)的降解效率比C. cellulolyticum单独生长的时候提高了18%. 这项研究的创新之举在于首次利用特殊的细菌在微生物燃料电池降解非水溶性的有机物, 并且用实验展示了两种细菌在发电过程中的共生关系. 此外, 实验结果也进一步论证了发酵过程和厌氧呼吸过程的结合可能比单一菌种的活动更加有利于能量的产生.麻省大学艾莫斯特分校的研究则是关于两种都可以进行厌氧呼吸,利用三价铁做为电子接受物的细菌, Geobacter sulfurreducens和Pelobacter carbinolicus. 前者是已知的可以发电的细菌, 而后者被大量发现于建立在水沉积物中的微生物燃料电池的阳极上. 通常意义上, 可以还原三价铁氧化物的细菌都可以利用阳极作为电子接受物, 但是实验结果表明P. carbinolicus基本不具备这样的能力. 科研人员发现, 当乙醇作为微生物燃料电池的燃料, G. sulfurreducens不能够代谢这种燃料; P. carbinolicus可以将乙醇用于生长,但是不能产生电流. 混合生长的时候, 乙醇被P. carbinolicus转化为氢气和醋酸物, 然后G. sulfurreducens 利用这些产物发电. 共焦显微镜(confocal)和对16S rRNA基因的分析表明, 两种细菌在阳极表面的数量几乎相等, 但是在阳极水溶液中, 绝大多数是P. carbinolicus. P. carbinolicus 是第一种可以还原三价铁氧化物却不能在微生物燃料电池中产生电流的细菌. 与其他可以产生电流的细菌相比, P. carbinolicus缺乏外细胞膜的细胞色素(cytochrome), 一种被认为是连接细胞内部和阳极的可导电的蛋白质.微生物燃料电池研究的一个关键问题就是理解阳极微生物的活动和它们之间的相互作用. 利用单一菌种(pure culture)来研究共生现象将对认识阳极微生物的新陈代谢和电子传输过程有重要的帮助.MFC 4. 沉积物微生物燃料电池工作原理沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell) 的工作原理与微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell) 类似, 但是反应器结构要简单很多. 在沉积物微生物燃料电池中, 作为阳极的电极被埋在水底沉积物的浅层中(1-10厘米深), 而作为阴极的电极则悬于阳极上方的水中. 不同于常规的微生物燃料电池, 沉积物微生物燃料电池不需要使用离子交换膜将阳极和阴极分开, 而是利用水中溶解氧浓度由浅至深逐渐减少自然地把阳极和阴极分成缺氧区和有氧区. 因此, 在沉积物和水体的界面上自然形成了一个氧化还原的梯度, 使阴,阳电极之间可以产生大约0.7 V的开路电压. 水底沉积物含有多种厌氧细菌, 可以将经过多年沉降积累的有机物分解, 并把电子传输给阳极. 而悬在含溶解氧相对高的水中的阴极则接受电子, 完成氧气还原反应. 一些特殊的沉积物微生物燃料电池采用牺牲阳极和生物阴极(参见下文).优缺点沉积物微生物燃料电池的优点就是结构简单, 不需要太多的维护, 建造和运行费用低. 在自然水体中的长期运行会在阴极形成生物膜, 有可能帮助氧气还原反应. 但是,沉积物微生物燃料电池一般都不使用阴极催化剂, 而且沉积物中的有机物含量有限, 所以其功率输出也很有限. 沉积物微生物燃料电池的运行条件不象其他微生物燃料电池那样得到严格的控制, 在自然条件下会产生波动, 也会影响到功率输出. 此外, 因为水中溶解氧浓度随着水深不断降低, 沉积物微生物燃料电池不可能应用于太深的水体中, 也就是说, 不可能应用于离陆地太远的水体中. 华盛顿大学(圣路易斯) 的研究人员设计了一种可旋转的阴电极, 希望利用水流或者海潮来推动阴极旋转, 通过旋转将空气中的氧气带入水中, 提高阴极附近的溶解氧浓度.实际应用因为输出功率低, 沉积物微生物燃料电池的应用大多是为远程监测仪器提供电能. 这类电子设备不需要太高的电能, 也不需要频繁地维护. 尽管如此, 它依然是微生物燃料电池中最有可能在短期内投入到实际应用中的一种. 美国海军研究实验室已经研制开发了一种沉积物微生物燃料电池, 称为Benthic Unattended Generator, 简称BUG. 这种BUG被放置在河水或者海水底部, 为监测空气温度, 气压, 相对湿度和水温的电子仪器提供电能, 数据通过无线发射器(也由BUG 提供电能) 传输到附近的海军研究实验室. 蒙大拿州立大学的研究人员设计了一种由金属镁作为牺牲阳极, 和生物沉积锰化物作为阴极的沉积物微生物燃料电池. 该电池被设置在河底, 为一个无线传感器提供电能. 随着对微生物燃料电池的认识的不断加深和越来越广泛的新材料应用, 沉积物微生物燃料电池还可能被用做生物修复, 或者生态修复的一种手段.MFC5 微生物燃料电池阳极的电子传输机制生物燃料的前景因其潜在的环境影响和原材料来源等问题受到科学届的质疑. 但是, 随着储量有限的fossil fuel不断消耗, 寻求可再生能源成为全球性的紧急问题. 未来可替代性的能源组成应该是多元化的, 能源需求应该被多种形式分担, 既包括某些可提供大规模长期能源的形式, 也包括可提供局部小规模需求的形式.微生物燃料电池(microbial fuel cell – MFC) 是一种新型的”废水–能源” 转化方式. MFC的”原材料”是废水和废物, 不存在与人类争夺粮食(比如,生物乙醇的生产)的问题; 其过程也是清洁环境的过程, 因此它的环境影响是积极的. MFC不可能成为主要的能源提供者, 但是满足局部小规模的能源需求还是可行的. 目前, MFC研究的最主要问题就是理解微生物与电极(阳极; 绝对大部分阴极都是非生物性的)之间的相互作用(电子传输过程), 这是进一步提高MFC功率输出的基础. 虽然具体的电子传输机制还不是十分清楚, 但是在大体上,研究人员总结了两种电子传输机制: 直接电子传输(direct electron transfer – DET) 和间接电子传输(mediated electron transfer – MET). 笔者认为, 电子传输机制还可以按照另一种方式分类: 微生物的新陈代谢过程, 即, 微生物是否通过电子传输获得自身生长的能量. 电子传输实际上就是微生物的呼吸过程(respiration). 就好象人要通过呼吸氧气生存,微生物也需要通过”呼吸过程”获得生长的能量. 在这个过程中, 微生物分解有机和无机物质(electron donor), 产生电子, 并传输到最终电子接受物(terminal electron acceptor). 对于好氧微生物来说, 最终电子接受物为氧气; 而厌氧微生物的最终电子接受物为(亚)硝酸盐,(亚)硫酸盐,金属化合物和二氧化碳等等. 在MFC的阳极,电子接受物则为电极.当微生物可以通过”呼吸”阳极获得生长的能量, 同时产生电流时, 它们可以通过DET或者MET 来传输电子. 在DET过程中, 细菌和电极有直接的接触,并利用细胞外膜的可导电性的蛋白质作为电子中介物,将电子传输到电极上. 研究人员发现, Geobacter的一些菌种在利用电极生长的时候, 某些细胞外膜蛋白(outer membrane protein)有很高的表达, 意味着这些蛋白质可能做为电子传输的中介物. 此外, Geobacter 和Shewanella的某些菌种会产生一种可导电的纳米线(nanowire),既可以连接临近的细菌形成生物膜结构, 还可以传导细菌新陈代谢产生的电子. 通过nanowire, 距离电极一定距离的细菌也有可能参与到MFC的电流产生过程中. MET是另一种主要的电子传输过程, 因为可以利用电子中介物质(electron mediator)传输电子, 细菌不需要和电极有直接的接触. 早期的研究主要通过添加人工合成的化学物质来提高电流输出, 间接证明了电子中介物质的作用. 近年来, 研究人员发现Pseudomonas aeruginosa 可以产生自己的电子中介物- pyocyanin. 当相关的基因被删除后, 电流产量下降很多. 阳极可以诱导pyocyanin的产生. 细菌重复利用这种电子中介物至少11次.在阳极生长的微生物中, 也有很多细菌不能进行”电极呼吸”, 但是它们可以通过新陈代谢的产物间接地参与到电流产生的过程中. 这些产物可以和阳极进行非生物性反应, 从而产生电子以及电流. 在对Bacteroides thetaiotaomicron的研究中, 科研人员发现, 当这种细菌在阳极生长的时候, MFC的电流显著增长, 减缓细菌生长的同时也降低了电流产生. 但是, 基因芯片(DNA Chip)的对比分析显示, 无论细菌是否生长在MFC的阳极上, 其基因表达都没有显著差别, 表明这种细菌不能利用阳极作为电子接受物, 因而也不可以进行”电极呼吸”. 其生长与电流产生之间的关系, 可能是由于新陈代谢产物与电极之间的非生物反应形成的.对于研究电子传输机制, 使用单一菌种有很多优势. 但是, 在一个复杂的阳极环境中(含有多种微生物的菌群), 电子传输的机制不是唯一的, 可能是上述几种过程的混合.前言生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。
微生物燃料电池的新型技术研究
微生物燃料电池的新型技术研究一、引言随着全球能源需求的不断增加和环境污染的日益严重，现代能源技术正面临着前所未有的挑战。
传统能源技术虽然能够满足人们的需求，但以煤、石油等化石燃料为代价，也带来了不可逆转的环境问题。
微生物燃料电池作为一种新型的能源技术应运而生，在能源上为人们提供了新的选择。
本文将就微生物燃料电池的新型技术研究进行探讨。
二、微生物燃料电池的定义微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种将化学能转化为电能的新型生物电化学系统，是利用微生物通过氧化有机物释放出的电子流来产生电能。
三、微生物燃料电池的发展历程微生物燃料电池自2003年开始得到了广泛的研究和关注。
尽管在过去十多年里，其性能得到了显著的改进，但其应用仅局限于实验室中的小规模设备。
针对微生物燃料电池的研究主要包括：（1）物种筛选：有很多种微生物可以用于微生物燃料电池，但每种微生物产生的电能都不同。
因此，必须对这些物种进行筛选。
（2）电极材料：电极材料的选择对微生物燃料电池的性能影响很大。
大多数的微生物燃料电池使用碳材料电极，比如碳纤维、活性炭、石墨等。
（3）电解质：电解质对微生物燃料电池的性能也有很大的影响。
许多研究表明，金属离子和小分子溶解物可以增加微生物燃料电池的性能。
（4）电极结构：电极结构是影响微生物燃料电池性能的关键因素之一。
目前，传统的电极结构通常是平面电极或管状电极。
（5）电池设计：电池设计是微生物燃料电池性能的另一个关键因素。
电池设计需要考虑电极面积、电极距离、电极位置等。
四、微生物燃料电池的性能优势微生物燃料电池是一种新型的、清洁的、可再生的能源技术。
与化石燃料相比，微生物燃料电池有很多优势，包括：（1）环保：微生物燃料电池不会产生排放物，不会污染环境。
（2）可再生：微生物燃料电池是一种可再生的能源技术，它可利用有机物质来生产能量。
（3）高效：微生物燃料电池的效率可以高达80%，大大增加了能源的利用效率。
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MFC资料
6应用
(1)在废水处理
(2)新能源开发领域具有 广阔的应用前景
7优势
首先，它将底物直接转化为电能，具有高的能 量转化效率； 其次，MFC反应的常温性 第三，MFC环保性，不需要进行废气处理， 废气的主要组分是二氧化碳； 第四，MFC不需要输入较大能量，如单室微生 物燃料电池仅需通风就行 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 了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。
微生物 燃料电池 MFC
(Microbial fuel cell)
1定义：
是一种利用微生物将有机物中 单室的MFC 的化学能直接转化成电能的装 置。
微生物燃料电池 （Microbial Fuel Cell，MFC）
双室的MFC
2原理：
阴极得到电子被还原与质子结合成水。 在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作 用下分解并释放出电子和质子，电子依 靠合适的电子传递介体在生物组分和阳 极之间进行有效传递，并通过外电路传 递到阴极形成电流，而质子通过质子交 换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气在) 在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
②.第二类是某些微生物自 身可以合成介体(直接MFC)
如Pseudomonas aeruginosa(绿胧假 单胞菌)能够合成绿脓菌素和吩嗪-1-甲 酰胺等物质，它合成的介体不光自己可 以使用，其它的微生物也可以利用它产 生的介体传递电子。
(2)根据产电的原理：
1）氢MFC：制氢和发电结合在一起； 2）光能自养MFC：利用藻青菌等感光 微生物的光合作用，直接将光能转 化为电能； 3）化能异样MFC：利用厌氧或兼性微 生物从有机燃料中提取电子并转移 到电极上。
3原理图示：
葡萄糖
微生物燃料电池的设计与性能分析
微生物燃料电池的设计与性能分析微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物催化作用将有机质转化为电能的一种新型生物能源技术。
与传统燃料电池相比，MFC在能源转化效率和环境适应性等方面具有更大的潜力。
本文将结合实际案例，介绍MFC的设计原理和性能分析方法。
一、MFC的设计原理MFC的基本设计原理是将微生物催化剂与电极材料置于合适的生物反应器中，利用微生物在催化有机物降解过程中的电转换作用，将有机物质转化为电能。
MFC主要包括阳极、阴极和离子交换膜等组成，通过阳极上有机物质的降解，产生质子和电子，并将电子通过外部电路传输至阴极。
在阴极上，电子与氧气还原生成水，并释放出能量，从而实现电能转换。
具体来说，MFC的设计原理主要由以下3部分组成：（1）阳极：阳极是MFC中能量转化的关键部分，也是微生物催化剂的定位点。
阳极材料对MFC的性能影响非常大，通常采用具有高比表面积以及良好导电性的材料，如碳纳米管、碳纤维等。
此外，阳极质地对微生物附着也是至关重要的，当阳极表面结构过粗糙或过光滑时，都会影响到微生物的定植，进而影响到电流输出。
（2）微生物催化剂：微生物催化剂是MFC的核心部分，是通过其催化有机物质转化为电能的过程实现电能转换的。
微生物的种类和数量对MFC的性能同样具有重要影响，一般选择好的细菌或真菌作为催化剂，具有较快的电子转换速度和较高的能量转化效率。
（3）离子交换膜：离子交换膜是MFC中阴极和阳极之间的隔膜，主要用于离子传输和防止微生物漂移。
合适的离子交换膜能降低电流输出内阻，提高MFC的输出效率。
以上是MFC的设计原理，根据具体需求和实际情况，可进行不同程度的设计和改进。
二、MFC的性能分析方法MFC的性能分析是MFC研究中非常重要的一部分，其主要目的是评估MFC性能，并通过不同实验手段探究MFC性能的提升方式。
（1）发电性能分析：发电性能是最基本的MFC性能参数之一，通常通过测量MFC输出电压、输出电流等电学参数来评估MFC的发电性能。
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书山有路勤为径；学海无涯苦作舟
微生物燃料电池：新型产能生物技术(一)
微生物燃料电池（MFCs）提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会。
MFCs可以利用不同的碳水化合物，同时也可以利用废水中含有的各种复杂物质。
关于它所涉及的能量代谢过程，以及细菌利
用阳极作为电子受体的本质，目前都只有极其有限的信息；还没有建立关
于其中电子传递机制的清晰理论。
倘若要优化并完整的发展MFCs的产能
理论，这些知识都是必须的。
依据MFC工作的参数，细菌使用着不同的代谢通路。
这也决定了如何选择特定的微生物及其对应的不同的性能。
在此，我们将讨论细菌是如何使用阳极作为电子传递的受体，以及它们产能输出
的能力。
对MFC技术的评价是在与目前其它的产能途径比较下作出的。
微生物燃料电池并不是新兴的东西，利用微生物作为电池中的催
化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且使用微生物燃料电池处
理家庭污水的设想也于1991年实现。
但是，经过提升能量输出的微生物
燃料电池则是新生的，为这一事物的实际应用提供了可能的机会。
MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。
要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或
者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。
这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。
然后电子经由一个电阻器流向
阴极，在那里电子受体被还原。
与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。
专注下一代成长，为了孩子。
微生物燃料电池
MFC的基本工作原理
e负载
e-
CO2
O2
eeH+ 有机物 微生物 H+ H2O
阳极反应：
(CH2O)n＋nH2O 阴极反应： 4e-＋O2＋4H+ 2H2O nCO2＋4ne-＋4nH+
阳极室
PEM
阴极室
The working principle of a microbial fuel cell
微生物燃料电池
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生物燃料电池
微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell, 简称MFC)是 以微生物为催化剂，将有机物燃料中的化学能直接 转化为电能的装置。 产电微生物（Electricigen)通过氧化有机物获得的电 子传递到细胞外，直接或间接的通过介质将电子传 递到电极上产生电流。
具有发电与废弃物处置的双重功效
生活污水（含氮、磷等营养物质） 工业废水（酿酒、食品加工等行业）
未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术
Thanks for your attention!
MFC的性能特点
(1)燃料来源广泛，利用有机废水等废弃物； (2)反应条件温和； (3) 产物是CO2和H2O，无需对其产物做任何后处理； (4)无燃烧步骤，理论转化效率较高。
产电微生物特点
变形菌门（Proteobacteria)
厚壁菌门（Firmicutes)
Feature: 多为兼性厌氧菌 具有无氧呼吸和发酵等代谢方式
氧化糖类、有机酸获能
常用产电菌
铁还原红育菌（R.ferrirducens) 沼泽红假单细胞菌（Rhodopseudomonas palustris） 人苍白杆菌（Ochrobactrum anthropi） 铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa） AND SO ON~~
四室微生物燃料电池
四室微生物燃料电池的应用场
03
景
污水处理
01
污水处理
四室微生物燃料电池可用于污水处理领域，通过微生物 的代谢作用将有机物转化为电能，同时达到净化水质的 目的。
02
降低能耗
与传统的污水处理技术相比，四室微生物燃料电池具有 较低的能耗，可有效降低污水处理成本。
03
资源回收
四室微生物燃料电池在处理污水过程中产生的电能可以 用于其他用途，实现资源的回收利用。
利用四室微生物燃料电池的生物电化学性质 ，开发新型生物传感器和生物电子器件。
D
谢谢聆听
环境保护
减少温室气体排放
四室微生物燃料电池的运行过程 中不产生温室气体排放，有助于 减缓气候变化。
废弃物资源化利用
四室微生物燃料电池可将有机废 弃物转化为有用的能源，降低废 弃物的处理压力和环境污染。
生态修复
四室微生物燃料电池的应用有助 于生态环境的修复和保护，促进 生态平衡和可持续发展。
四室微生物燃料电池的研究进
化还原反应的进行，提高能量转换效率。
微生物的生长和繁殖能够持续提供反应物质，延长燃料电池的
03
运行寿命。
四室微生物燃料电池的结构与工作流程
四室微生物燃料电池由四个独立反应室组成，分别为产电厌氧室、产电好 氧室、产氢厌氧室和产氢好氧室。
工作流程包括有机物在厌氧室中被厌氧菌转化为氢气，氢气随后进入好氧 室与氧气反应产生电能和水。
能源生产
可再生能源
四室微生物燃料电池作为一种生 物质能源，可利用有机废弃物作 为燃料，产生电能和热能，为可
再生能源的发展提供支持。
分布式能源
四室微生物燃料电池可以作为分布 式能源系统的一部分，为社区、建 筑物或工业园区提供电力和热能。
MFC 微生物燃料电池
2007年 大反应器 （Liu等）
2007年 新瓶状MFC反应器 （Logan等）
2003年 石墨金属阴极单室反应器 （Park、Zeikus）
2004年 空气阴极反应器 （Logan、Liu）
2004年 单室空气阴极反应器 （Liu等）
2004年 平板形MFC （Logan、Min）
2004年 管状填充反应器 （Jang等）
问题5：MFC如何应用在污水处理中？ 微生物燃料电池优点
燃料来源 多样化
操作条件 温和
无污染 零排放
无需能量 输入
生物 相容性
可以利用 多种物质 进行产电
1
常温常压 唯一产物
中性安全
是水
2
3
能量转 化工厂
4
葡萄糖和 氧为底物
5
3
2014/10/20
问题5：MFC如何应用在污水处理中？
2014/10/20
微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC)技术 ——未来污水处理的愿景？
地区卡
地区卡
地区卡
能源是人类赖以生存和发展的重要资源，随着全球经济的蓬勃发展， 能源供需之间存在的矛盾也日趋明显。化石燃料中碳的释放使得空气 中CO2量大幅增加。全球的气温也不断提高，造成温室效应。燃料电池 技术作为一种新型的产能和能源供给方式一直受到高度重视，成为未 来人类解决能源问题的重要途径之一。
1
问题3：未来愿景？
2014/10/20
问题4：MFC怎样工作？
（1）底物生物氧化 （2）阳极还原 （3）外电路电子传输 （4）质子迁移 （5）阴极反应
微生物燃料电池反应器类型
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)．
微生物燃料电池文献综述
一．前言微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，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。
其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水[1]。
随着环境问题和能源危机的日益严重,微生物燃料电池作为一项新型的污水处理和能源回收技术引起了国内外广大研究者的关注,并对MFC的产电机理、产电微生物、电子传递机理、反应器结构、电极材料等进行了广泛的研究。
有研究表明,影响MFC产电的主要因素有:产电微生物、外阻、基质种类和浓度、溶液的pH、温度、缓冲溶液等。
为了更好地研究阳极,微生物燃料电池的阴极大多采用非生物阴极,如在阴极添加Pt作为氧气还原的催化剂以及采用过渡金属(Fe或者Co)化合物、铁氰化钾溶液等[2]。
二．现阶段对微生物燃料电池的研究成果钟登杰等[3]认为虽然非生物阴极具有良好的产电性能,但也存在催化剂价格昂贵、容易失效、需要经常替换等缺点，限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。
于是，研究者们开始致力于开发一种能够可持续发展的微生物燃料电池。
其中，生物阴极微生物燃料电池由于具有建造和运行费用低、可持续发展性强、可产生有用物质或者去除无用的化合物等优点而引起研究者们的关注。
作者搭建了一个生物阴极微生物燃料电池,并以输出电压和库仑效率(CE)为指标，考察了外阻、基质浓度、缓冲溶液对MFC产电性能的影响。
研究结果表明①当外阻≥50Ω时MFC能稳定运行。
MFC的CE随着外阻的减小而增加。
②随着基质初始浓度的增加,MFC稳定运行的时间延长,但CE会降低。
③添加缓冲溶液有利于提高MFC的输出电压和CE,使阴极和阳极溶液的pH保持在中性附近,有利于微生物的生长。
基本概念—MFC篇
基本概念——ＭＦＣ篇微生物燃料电池：（Microbial Fuel Cell，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。
其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
燃料电池：燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。
燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
电池：电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。
随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。
如太阳能电池。
电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。
燃料：能通过化学或物理反应（包含反应）释放出能量的物质。
按其形成可以分为固体燃料、液体燃料和气体燃料，还有核燃料。
氧化还原介体：能加速初级电子供体的电子向最终电子受体传递的化合物。
微生物：个体微小，结构简单，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚的生物，统称为微生物。
微生物包括细菌、病毒、霉菌、酵母菌等。
（但有些微生物是肉眼可以看见的，像属于真菌的蘑菇、灵芝等。
）包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物、显微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活关系密切。
涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、食品、医药、工农业、环保等诸多领域。
细菌：广义的细菌即为原核生物是指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作拟核区（nuclear region)（或拟核）的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类群。