微生物电池(改)剖析上课讲义
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微生物燃料电池讲稿
大家好，大家一想到细菌可能会觉得不舒服，但是随着生物技术的发展表明，这些小家伙对我们是分外友好的，比如我今天展示的主题是关于微生物发电方面，即利用微生物将有机物中的化学燃料能直接转化成电能。
大量研究证明，微生物发电是很有潜力的。
这是我今天展示的四个部分，首先是细菌发电的技术原理，（以电池为例）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。
与其他类型燃料电池类似，微生物燃料电池的基本结构为阴极池和阳极池。
根据阴极池结构的不同，MFC 可分为单池型和双池型2 类; 根据电池中是否使用质子交换膜,也可分为有膜型和无膜型2 类; 根据电子传递方式的不同，又可分为直接型和间接型2 类。
（其中单池型MFC 由于其阴极氧化剂直接为空气，因而无需盛装溶液的容器; 无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。
直接型MFC 采用的产电细菌具有将氧化产生的电子传递到阳极的能力。
）这张图是传统微生物燃料电池的结构图，这一张图上大家可以看到细菌在这个流程中的作用。
但是细菌并不是只有靠着电极才可以发电，但是科学家发现有些可以产生电流的细胞如地杆菌在细胞外长有长长的、纤细的丝。
试验证明细菌的这些细长的丝是它们纯天然的“电线”，实现细菌远距离发电。
常见产生电流的菌种：希瓦氏菌，铁还原红育菌，硫还原泥土杆菌这种电池的原料广泛，可以是糖类，包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。
细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。
微生物燃料电池讲义
9
微生物燃料电池的有效电子传递介体，应该具 备以下特性： (1)介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内 部的还原组分； (2)其氧化还原式量电位要与被催化体系的电 位匹配； (3)其氧化态不干扰其它的代谢过程； (4)其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； (5)其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，并 且在细胞和电极表面均不发生吸附； (6)其在电极上的氧化还原反应速率非常快、 且有很好的可逆性。
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电池性能制约因素：
(1)动力学因素,阳极和阴极反应活化能的因素; (2)内阻的因素,主要来自电解液的离子阻力,电极与 接触物质产生的电阻,以及PEM所产生的内电阻; (3)传递因素,反应物到微生物活性位的传质阻力和 阴极区电子最终受体的扩散。
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微生物燃料电池的应用 一、废水处理
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Thanks your !
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MFC的优点:
与常规燃料电池相比 ,MFC以微生物代替昂贵的化学 催化剂 ,因而具有更多优点: (1)燃料来源广泛 ,尤其可利用有机废水等废弃物; (2)反应条件温和 ,常温常压下即可运行; (3) 环境友好 ,所产 生的物质主要是CO2和H2O,无酸、 碱、重金属等污染物产生,无需对其产物做任何后处理; (4)因能量转化过程无燃烧步骤 ,故理论转化效率较高。
1.对材料的改性
Zeikus[3]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。 Zhang[4]报道了在石墨中加入聚四氟乙烯( PTFE) 作为MFC 的阳极,研究表明,PTFE 的含量影响了MFC的电流产生,质量 分数为30%的PTFE可以获得的最大功率为760 mW/ m2。
微生物燃料电池课件共29页
surface area of the salt bridge 盐桥表面积实验
❖ When the surface area of the salt bridge in contact with anode and cathode chambers was increased from 0.4 to 15.9 cm2,an almost proportionate increase in the maximum power generation was observed. 盐桥表面积从0.4增加到15.9cm2时，最大功率增加。
❖ 这两种技术的融合，可能是未来微机械和 微型燃料电池的一个具有发展前途的方向。 例如微型的自维持型医疗器械.
2 .处理污水的微生物燃料电池
❖ 最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家Logan率领的一个 研发小组宣布他们研制出一种新型的微生物燃料电池。可以 把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
❖ 在发电能力方面，据洛根称在实验室里该设备能提供的电功 率可以驱动一台小电风扇。虽然目前产生的电流不大，但该 设备改进的空间很大。洛根的研发小组已经把该燃料电池的 发电能力提高到了350W 洛根希望这一数值最终能达到 500W～1000W.
❖ 浓度为0.03mM时，最 大电流为56.7uA；最大 功率为19.2uW.
❖ 对应的功率密度和电流 密度为9.33mW/m2 和 27.59mA/m2 .
（见下图和表）
离子强度实验
❖ 然后用0.03mM的MB做下一步的实验。
❖ Similarly, maximum power was observed when 10mM NaCl concentration was used.
❖ 菌种：Enterobacter cloacae strain IIT-BT 08
微生物电池的原理与应用ppt课件
贵金属Pt
过渡金属大环化合物
金属氧化物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
填料式MFCs
管状ACMFCs 在构型上和操作方式上与污水处理设 备中的生物滤池颇为相似; 填料型MFCs类似于流化床 反应器。
• 1970，生物燃料电池概念确定； • 1980后，生物燃料电池输出功率有较大提
高 • 2002，bond发现特殊微生物地杆菌； • 2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比
利时willy教授在MFC上做了大量研究。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 微生物传感器的发展，广泛 工作的MFC使用的原则制定新的生化需氧量传感器在于：①电池产生的电流 或充电之间的污染物浓度呈良好的线性关系;②电池的电流对污水响应速度更 快;③有较好的重复性。
• 作为一个新的水处理工艺 目前，由于燃料有机废水，有机物质循环中的化学能的污水一直是MFC的这 项研究的主要目的，但在研究中，污水处理后的MFC的水质监测结果，以便 为新的污水处理技术开发的研究人员到MFC基本工作原理产生了浓厚的兴趣。 优点：1）可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向；2）为处理污水， 将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。
• 在应用程序开发的前景与微生物燃料电池方面：①替代能源;②传感 器;③污水处理新技术;④利用微生物燃料电池的特殊环境未培养细菌 的富集。
• 替代能源，生物质能 因为MFC将能转化为电能的生物量直接转化 ，机器人、汽车、医疗
微生物燃料电池28页PPT
❖ 目的：研究不同的电子介体、介体浓度、 介质中的离子强度和盐桥的表面积对微 生物燃料电池性能的影响。
介体介绍
❖ 氧化还原介体是电子传递的关键环节，充当介体应具备如下条件：①容 易通过细胞壁；②容易从细胞膜上的电子受体获取电子；③电极反应快； ④溶解度、稳定性等要好；⑤对微生物无毒；⑥不能成为微生物的食料。 一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化还原介体，其 中，较为典型的是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA 和中性红等。
❖ 等技术成熟后可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将 获得很大提高，洛根认为它可以提供 500KW 的稳定功率， 大约是300户家庭的用电功率.
3 . 吃肉的机器人（gastrobot）
❖ 是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器人。基于微生物燃料电池 （MFC）技术的吃肉机器人如下图所示的是一种吃肉机器人，它所依靠的正 是典型的微生物燃料电池技术，可将食物的能源转化为电流。
利用微生物燃料电池发电的研究 Y. Mohan, S. Manoj Muthu Kumar, D. Das∗
Department of Biotechnology, Indian Institute of Technology, Kharagpur 721302, India
Received 20 June 2019; accepted 9 July 2019
❖ 背景知识和研究目的
❖ Mediator type, concentration, pH and sometimes even mixture of the three play an important role in the anode potential fixing.
❖ 微生物燃料电池的性能受很多因素的影响， 诸如介体的类型、介体的浓度、pH值等。
介体介绍
❖ 氧化还原介体是电子传递的关键环节，充当介体应具备如下条件：①容 易通过细胞壁；②容易从细胞膜上的电子受体获取电子；③电极反应快； ④溶解度、稳定性等要好；⑤对微生物无毒；⑥不能成为微生物的食料。 一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化还原介体，其 中，较为典型的是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA 和中性红等。
❖ 等技术成熟后可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将 获得很大提高，洛根认为它可以提供 500KW 的稳定功率， 大约是300户家庭的用电功率.
3 . 吃肉的机器人（gastrobot）
❖ 是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器人。基于微生物燃料电池 （MFC）技术的吃肉机器人如下图所示的是一种吃肉机器人，它所依靠的正 是典型的微生物燃料电池技术，可将食物的能源转化为电流。
利用微生物燃料电池发电的研究 Y. Mohan, S. Manoj Muthu Kumar, D. Das∗
Department of Biotechnology, Indian Institute of Technology, Kharagpur 721302, India
Received 20 June 2019; accepted 9 July 2019
❖ 背景知识和研究目的
❖ Mediator type, concentration, pH and sometimes even mixture of the three play an important role in the anode potential fixing.
❖ 微生物燃料电池的性能受很多因素的影响， 诸如介体的类型、介体的浓度、pH值等。
微生物燃料电池的结构第章ppt课件
底物消耗不均可能是导致电池电压逆转的主要原因。 微生物系统波动频繁，对产电有负面影响，可用二极管
减少反向电荷，避免电压逆转。
2.3.1 间接MFC
制约生物燃料电池输出功 率密度的最大因素是电子 传递过程。由于代谢产生 的还原性物质被微生物的 膜与外界隔离，从而导致 燃料 微生物与电极之间的电子 传递通道受阻
2.3.2直接微生物燃料电池
直接微生物燃料电池是指燃料 直接在电极上氧化，电子直接 由燃料转移到电极，也称为无 介体MFC，是指MFC中的细菌能 分泌细胞色素、醒类等电子传 递体，直接将新陈代谢过程中 产生的电子由细胞膜内转移到 电极。
这种微生物燃料电池由于不需 要投加电子中间介体，降低了 运行成本，已经成为当前的研 究重点。
生物的食料
2.3.1 间接MFC
一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化 还原介体，其中较为典型的是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA和中性 红等。
氧化还原介体的功能依赖于电极反应的动力学参数，其中 最主要的是介体的氧化还原速率常数，而氧化还原速率常 数又主要与介体所接触的电极材料有关。
为了提高介体的氧化还原反应的速率，可以将两种介体适 当混合使用，以期达到更佳的效果。
4. 双筒型微生物燃料电池
填料型MFC可以增大MFC产电能力，而以筒状质子膜作 为增大MFC内电流通道可以有效降低MFC的内阻，所以 又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。
表2-1 种填料型 MFC 结构及产电比较
项目
内阻/Ω 质子膜密度/cm-1 质子膜面积/cm2 反应器体积/mL 体积功率密度/mW·m-3 面积功率密度mW·m-2
图2.4 双室H型MFC图
2. 双室H型MFC
双室H型MFC由阳极室和阴极室两个极室构成，中 间由阳离子交换膜隔开，保证了阳极电子供体和 阴极电子受体在空间上的独立性。
减少反向电荷，避免电压逆转。
2.3.1 间接MFC
制约生物燃料电池输出功 率密度的最大因素是电子 传递过程。由于代谢产生 的还原性物质被微生物的 膜与外界隔离，从而导致 燃料 微生物与电极之间的电子 传递通道受阻
2.3.2直接微生物燃料电池
直接微生物燃料电池是指燃料 直接在电极上氧化，电子直接 由燃料转移到电极，也称为无 介体MFC，是指MFC中的细菌能 分泌细胞色素、醒类等电子传 递体，直接将新陈代谢过程中 产生的电子由细胞膜内转移到 电极。
这种微生物燃料电池由于不需 要投加电子中间介体，降低了 运行成本，已经成为当前的研 究重点。
生物的食料
2.3.1 间接MFC
一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化 还原介体，其中较为典型的是硫堇、Fe（Ⅲ）EDTA和中性 红等。
氧化还原介体的功能依赖于电极反应的动力学参数，其中 最主要的是介体的氧化还原速率常数，而氧化还原速率常 数又主要与介体所接触的电极材料有关。
为了提高介体的氧化还原反应的速率，可以将两种介体适 当混合使用，以期达到更佳的效果。
4. 双筒型微生物燃料电池
填料型MFC可以增大MFC产电能力，而以筒状质子膜作 为增大MFC内电流通道可以有效降低MFC的内阻，所以 又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。
表2-1 种填料型 MFC 结构及产电比较
项目
内阻/Ω 质子膜密度/cm-1 质子膜面积/cm2 反应器体积/mL 体积功率密度/mW·m-3 面积功率密度mW·m-2
图2.4 双室H型MFC图
2. 双室H型MFC
双室H型MFC由阳极室和阴极室两个极室构成，中 间由阳离子交换膜隔开，保证了阳极电子供体和 阴极电子受体在空间上的独立性。
微生物电池的原理与应用
其他应用领域
• 除了上述应用领域外，微生物电池还可应用于其他领域，如环境监测、生物传感器、重金属去除 等。在这些应用中，微生物电池可以发挥其独特的优势，如高选择性、高灵敏度、低成本等。随 着技术的不断发展和完善，微生物电池的应用前景将更加广泛。
05
微生物电池的挑战与前景
技术挑战
1 3
能源转化效率低
农业废弃物种类繁多，如农作物秸秆 、畜禽粪便、农产品加工废弃物等。 这些废弃物经过适当的预处理后可作 为微生物电池的有机物供给源。在农 业废弃物处理过程中，微生物的作用 至关重要，它们通过分解有机物产生 电子并传递给电极，从而实现电能的 生产。
农业废弃物处理与微生物电池技术的 结合具有许多优点，如减少环境污染 、提高废弃物的资源化利用率、产生 可再生能源等。然而，该技术的应用 仍需进一步研究和优化，以提高发电 效率和稳定性。
废水处理
废水处理是微生物电池的重要应用领 域之一。废水中的有机物可以被微生 物氧化分解，同时产生电能。通过将 废水处理与微生物电池技术结合，可 以实现废水的能源化利用，降低废水 处理成本，并提高能源利用效率。
微生物电池在废水处理中的应用可以 分为直接和间接两种方式。直接方式 是指将微生物附着在电极上，形成微 生物燃料电池，利用微生物的代谢产 物作为电子传递介质；间接方式是指 利用微生物产出的某些化学物质（如 甲烷、氢气等）作为燃料供给电极进 行发电。
工作原理
在微生物电池中，有机物在微生物的 作用下被氧化，释放出电子和质子， 电子通过外电路传递，质子通过介质 传递，从而产生电流。
微生物电池的类型
01
依据使用的微生物种类：细菌电池、真菌电池 等。
02
依据是否需要外部电源：自供电微生物电池、 混合微生物电池等。
微生物燃料电池(1)剖析21页PPT
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
微生物燃料电池(1)剖析
6
、
露
凝无游来自氛，天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
谢谢！
微生物燃料电池(1)剖析
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凝无游来自氛，天
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7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
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9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
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21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
微生物电池(改)
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。
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
• (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。 • 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。
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
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 子 传 递 中 间 体 介 体 )
1、人工合成的介体， 主要是一些染料类的物质硫堇、AQDS和中性红等；
• 在中试研究方面，昆士兰大学 Keller、Rabaey与福斯特 （Foster）啤酒厂合作，建成了世界上第一个中试规模的 MFC（图 6），该 MFC 为单室，由 12个模块构成，每个高 3m，总容积大约 1m3，其中阳极采用碳纤维刷，阴极采用 石墨纤维刷，阳极置于装置的内部，阴极包裹于装置的外 部，利用啤酒废水发电，可承受的有机负荷为 10g COD/ (L·d)。
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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。
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
• (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。
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
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
catalogue
• 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
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
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
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。
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
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)
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。
• 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
体
介
2、某些微生物自身可以合成介Fra bibliotek。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
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。
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
• (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。
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
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
catalogue
• 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
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
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
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。
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
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)
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。
• 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
体
介
2、某些微生物自身可以合成介Fra bibliotek。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