微生物电池(改)剖析上课讲义

双室微生物燃料 电池装置示意图 Schematic diagram of the dual-chamber MFCs
图片 直接微生物燃料电池结构示意图 Fig. Direct microbial fuel cell assembly
直接微生物燃料电池的实例
• 腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)
体
介
2、某些微生物自身可以合成介体。
体
()
间接微生物燃料电池局限性
• 电子传递的距离大，电子传递通道效率低电子传
• 递中间体有毒且易分解，
使用介体的间接型电池占主导地位。
• 近年来，国外陆续发现几种特殊的细菌，可在无 电子传递中间体存在的条件下，将电子直接传递 给电极产生电，构成直接微生物燃料电池。 • 解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本 问题，同时也保证了功率密度的高效输出
直接(无介体)微生物燃料电池
未解决的问题
• 微生物与电极间的电能输出原理 1胞外电子传递机制 吸附在电极上的细菌 悬浮在溶液中的细菌
直接微生物燃料电池(两室)构造体系
• 微生物燃料电池由有机玻璃材料制成，阴阳两极室体积为 120 m L，极 室的尺寸为 63 mm×63 mm×30 mm. 电池由 4 块有机玻璃板通过螺栓 穿接固定而成。
————利用微生物催化作用将有机物
中的化学能直接转化成电能的装置
14生物科学2班 马宇昂 张智勇 周煜博
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• 基本原理（Rationale）
• 微生物燃料电池独特优势 • 物质解析与介体分类 • 构造体系 • 直接微生物燃料电池的实例 • 直接微生物燃料电池发展方向 • 试研究与应用 • 结语
• 目前所用的质子交换膜成本过高，不利于实现工业化。有 人用盐桥代替质子交换膜进行试验，但效果不佳。所以今 后将设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的生 物电池。
发展方向
• (5)阳极电极材料的改进以及表面积的提高
①阳极直接参与微生物催化的燃料氧化反应
②而且吸附在电极上的那部分微生物对产电量起主要 作用有利于更多的微生物吸附到电极上。例：通过把电极材料换
有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将 继续致力于发现和选择这种高活性微生物。以发酵废 水（如淀粉厂出水）为燃料建立微生物燃料电池，试 分离所需菌种。
发展方向
• (２)在电池的构造方面：现有微生物燃料电池一般 有阴阳两个极室，中间由质子交换膜隔开。这种结 构不利于电池的放大。
单室设计的微生物燃料电池将质子交换膜缠绕于阴极 棒上，置于阳极室，这种结构有利于电池的放大，已用于 大规模处理污水
发展方向
• (3)电能的输出很大程度上受到阴极反应的影响。
低电量输出往往由于 1阴极微弱的氧气还原反应
2氧气通过质子交换膜扩散至阳极。
氧气扩散到阳极会严重影响兼性厌氧菌,减小电量，因为 这类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子 受体。
阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。
发展方向
阴极 阴极
在阳极使用微生物催化剂,
因此微生物燃料电池的研
究工作也多是针对电池阳
极区。
其他燃料电池不具备的若干特点
• 原料广泛 可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质
作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。 • 操作条件温和 一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作。这使得电
池维护成本低、安全性强。 • 生物相容性 利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植
基本原理
• 在阳极室(负极)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(正极)，
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。
大多数微生物燃料电池只
阳极 阳极
直接微生物燃料电池工作原理
间接生物燃料电池工作原理
Hale Waihona Puke Baidu 电子传递中间体分类
• 由于大部分微生物不具有电化学活性，电子无法直接从微 生物到达电极，所以很多微生物燃料电池都需要电子传递 中间体的参与，即构成间接微生物燃料电池。
电
1、人工合成的介体，
子 传
主要是一些染料类的物质硫堇、AQDS和中性红等；
递
中
间
• (4)质子交换膜问题 质子交换膜对于维持微生物燃料电池电极两端pH值的
平衡、电极反应的正常进行都起到重要的作用。 通常情况，质子交换膜微弱的质子传递能力改变了阴
阳极的pH值，从而减弱了微生物活性和电子传递能力，并 且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应。
质子交换膜的好坏和性质的革新直接关系到微生物燃 料电池的工作效率、产电能力等。
成多孔性的物质，如石墨毡、泡沫状物质、活性炭等，或者在阳极 上加入聚阴离子或铁、锰元素，都能使电池更高效地进行工作。
• 21 世纪初，微生物燃料电池的研究重点是功率输出的提高，经 过十年左右的研究工作，其功率密度输出提高了 100 多倍。近 年来，研究重心更偏向于微生物燃料电池的应用化研究。
其他的一些直接微生物燃料电池
• Rhodoferax ferrireducens 燃料电池——将糖类 代谢能转化为电能 • Geobacteraceae
sulferreducens燃料电池
直接微生物燃料电池发展方向
• (1)目前大多数直接微生物燃料电池由单一菌种构建。 要达到普遍应用的目的，急需发现能够使用广泛
• 一种还原铁细菌，在提供乳酸盐或氢之后，无需氧化还原介质就 能产生电。
• 实验研究：以腐败希瓦菌等为催化剂，乳酸盐为燃料组 装微生物燃料电池。研究发现不用氧化还原介体，直接 加入燃料后，几个电池的电势都有明显提高。
机理：位于细胞外膜的细胞色素具有良好的氧化还 原性能。可在电子传递的过程中起到介体的作用，且它 本身就是细胞膜的一部分，不存在氧化还原介质对细胞 膜的渗透问题，从而可以设计出无介体的高性能微生物 燃料电池。
入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。
物质解析
• 电子传递方式 • 直接的微生物燃料电池 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;
• 间接的微生物燃料电池
间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，燃料是在电解液中 或其它处所反应，电子通过某种途径转移(氧化还原介体传递)到 电极上。