微生物燃料电池 (1)
微生物燃料电池的发展现状及未来趋势
微生物燃料电池的发展现状及未来趋势一、引言随着能源资源的紧缺和环境污染的加剧，寻求替代能源和清洁能源的研究日益受到关注。
微生物燃料电池作为一项新兴技术，被认为具有巨大潜力，可以转化废弃物为清洁能源。
本文将探讨微生物燃料电池的发展现状及未来趋势。
二、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池是一种利用微生物催化底物氧化反应并直接将化学能转化为电能的技术。
它以微生物作为催化剂，将底物（如有机废弃物）氧化为电子和质子，并通过电化学反应转变为电能。
这种技术具有可持续性和高效能的特点，因此备受瞩目。
三、微生物燃料电池的应用领域1.废水处理微生物燃料电池可以应用于废水处理领域，通过将微生物直接放置在废水中进行催化反应，实现废水的净化并产生电能。
这种技术可以将废水处理和能源回收结合，减轻环境污染的同时获得经济利益。
2.生物传感器微生物燃料电池还可以应用于生物传感器领域，利用微生物对特定环境参数的敏感性，通过监测微生物燃料电池的输出电流变化来实现环境监测和生物检测。
这种技术具有实时性和高灵敏度，可以在环境监测、医学诊断等方面发挥重要作用。
四、微生物燃料电池的发展现状目前，微生物燃料电池的开发已经取得了一定的进展。
研究人员已经成功地利用不同类型的微生物，如厌氧细菌、藻类和真菌，来催化底物的氧化反应。
同时，改进了电极材料和设计，提高了微生物燃料电池的输出电流和效率。
许多实验室已经实现了小规模的微生物燃料电池系统，并取得了良好的效果。
五、微生物燃料电池的未来趋势尽管微生物燃料电池在废水处理和生物传感器等领域已经初步应用，但仍存在一些挑战和限制。
首先，微生物燃料电池的输出电流和效率仍然较低，需要进一步提高。
其次，微生物的选择和培养条件对整个系统的性能有重要影响，需要更深入的研究和优化。
此外，微生物燃料电池的商业化应用面临着技术成本和市场需求等问题。
未来，微生物燃料电池的发展方向主要包括以下几个方面。
首先，通过细菌基因工程的技术手段，优化微生物的催化性能，提高其氧化底物的效率。
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(1)全解
Thanks for your attention!
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。
微生物燃料电池报告
微生物燃料电池1.前言能源危机是令当今各国头痛的问题，并引起世界广泛关注。
寻找新能源迫在眉睫。
生物质能源是现今备受推崇的新能源之一，其潜力正不断被挖掘。
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是生物质能源应用中的一种，是近年来迅速发展的新型燃料电池。
既可以降解废弃物，又能发电，确实是一种值得深究的变废为宝方式。
2.微生物燃料电池的发展19世纪30年代，英国植物学家Potter在研究细菌培养液的时候首次发现细菌能产生电流。
50年代，美国科学家利用宇航员的尿液和活细胞制造了一种能在外太空使用的生物燃料电池。
70年代，生物燃料电池的研究逐渐从以前的间接生物燃料电池转向直接生物燃料电池。
80年代，由于可作为小功率的电源，对微生物燃料电池的研究开始活跃。
90年代，用污水作为底物，达到净化污水同时获取电能的目的。
21世纪后，对微生物燃料电池的应用研究开始转向环保领域，受到众多环境学者的广泛关注。
3.微生物燃料电池的原理其本质是一种电化学电池，有阴阳两级，电极一般有炭纸和石墨两类。
中间一般用PEM膜（或盐桥）相隔。
阳极材料一般用石墨，阳极室充入待降解的污水或污泥，里面的微生物附着在电极上，在氧化降解底物的同时产生电子，电子通过外导线流入阴极，质子则通过PEM膜（或盐桥）进入阴极室，与电子、氧气结合生成水。
以葡萄糖底液为例：Anodic reaction:C 6H12O6 +6H2O → 6CO2 +24H++24e－Cathodic reaction:6O 2 +24H++24e－→ 12H2O在MFC的阳极室充入可降解有机物作为燃料来产电，这些可降解有机物可以是生活污水、工业废水、垃圾渗滤液、重金属、海水等。
其产电微生物有希万氏菌(Shewanella)、铁还原红育菌(Ｒhodofoferax ferrire-ducens)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、丁酸梭菌(Clostridiumbutyrioum)、耐寒细菌(Geopsychrobacter electrodiphi-ous)等[1].微生物的产电主体主要是附着在电极上形成的微生物膜。
微生物燃料电池
膜
☺
质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔 膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细 菌和氧气等都被截留的微孔材料。
现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。
☺
阴极
☺最新的研究表明，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 是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较 慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极 加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开 始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分 为非生物阴极和生物阴极。
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O nCO2＋4ne-＋4nH+ 2H2O
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
阳极室
Hale Waihona Puke PEM阴极室图1.生物燃料电池工作原理
MFC
阳极 阴极
膜
生物阴极 厌氧型生物阴 极
非生物阴极
好氧型生物阴 极
阳极
☺从MFC的构成来看，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、泡沫石墨以及碳纤维刷。
☺ ☺
好氧型生物阴极 二氧化锰也能作为直接的电子受体， 在MFC的阴极表面沉积一层MnO2， 利用MnO2的电化学还原和生物再 氧化过程
☺ ☺
厌氧型生物阴极 在厌氧条件下，许多化合物，如硝 酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳等 都可以作为电子受体。利用厌氧生 物阴极代替需氧生物阴极的一大优 势是可以阻止氧通过PEM扩散到阳 极，防止氧气消耗电子导致库伦效 率下降。
☺阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生
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利用微生物酵解产生的电子传递到电极上产生电力的技术，它的特点是能够将有机废弃物转化为电能，同时减少污染、降低能源成本，因此备受关注。
本文将讨论微生物燃料电池的原理与应用。
一、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池的核心原理是将来自微生物代谢的电子传递到电极上来产生电力。
在微生物燃料电池中，微生物活性产生的氢离子（H+）和电子通过呼吸链途径转移到氧气或氧化的底物上，达到能量代谢的目的。
而当微生物呼吸链的末端正好是电极表面时，电子可以被导向电极表面形成电流，故而产生电力。
微生物燃料电池中的微生物可分为两类：一是光合微生物，如藻类和细菌等，其使用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物进行代谢；二是好氧和厌氧微生物，如大肠杆菌等，其使用底物在代谢过程中产生的氢离子和电子转移到电极上形成电流。
于是，我们可以通过对不同类型的微生物进行研究和利用，来产生不同种类和强度的电流。
二、微生物燃料电池的应用微生物燃料电池由于具有高效、便捷和环保的优点，被广泛运用于生产和生活的多个领域。
以下就是微生物燃料电池的应用：1. 生物废弃物处理微生物燃料电池可以将厨余垃圾、污泥和废水等有机废弃物转化为电能，实现废物处理和能源回收的双重效果。
利用微生物燃料电池处理废弃物不仅能节约大量处理成本，而且可以减少对环境的污染。
2. 智能物联网微生物燃料电池可以产生小型电源，已经应用于智能物联网设备。
这些设备包括传感器、监控装置、移动通信设备和环境检测仪器等，都需要能够稳定供应电能，而微生物燃料电池可以为这些设备提供稳定的电源。
3. 医疗、军事和安全领域微生物燃料电池还可以应用于一些不便使用电网的场合，如医疗方面的义肢、覆盖物和人造耳蜗，军事方面的夜视仪、无人机和常规电力供应等，安全领域的消防器材、探矿工具和遥控钻机等，都可以通过微生物燃料电池进行供电。
三、微生物燃料电池的未来发展随着科技的不断进步，微生物燃料电池在未来的发展前景非常广阔。
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
CCME
21
CCME
22
CCME
2
微生 物燃 料电 池的 用途
开发新能源
处理废水 生物修复
CCME
3
微生物燃料电池的原理
CCME
4
微生物燃料电池的原理 MFC电池设备把细菌作为催化剂氧化有机(无机) 物质直接将化学能转化为电能。传统的MFC 电池是一个阳极室和一个阴极室相隔一个质 子交换膜(PEM)。阳极室内，水溶液或污泥中 的有机物在厌氧条件下被微生物氧化代谢,产 生电子和质子。电子通过直接电子转移,电子 介体或纳米线被转移到阳极后,通过外电路的 联系流到阴极。同时,质子通过PEM到达阴极。 电子、质子和电子受体(如空气或氧气)在阴 极室发生氧化还原反应产生水
CCME
20
引用文献：
[1] Allen, RM; Bennetto, HP, Applied Biochemistry And Biotechnology, 1993, 39 ： 27-40 [2] Ci, Su-qin; Wu, Na; Wen, Zhen-hai; Li, Jing-hong, 2012, 18： 250-251 [3] Gregory, KB; Bond, DR; Lovley, DR, ENV.MIC, 2004, 6： 596-604 [4] Bruce E.Logan, MICROBIAL FUEL CELLS. New Jersey: John Wiley&Sons, 2008 [5] Xie, Xing; Ye, Meng; Hu, Liangbing; Liu, Nian; McDonough, James R.; Chen, Wei; Alshareef, H. N.; Criddle, Craig S.; Cui, Yi ,Energy & Environmental Science 2012, 5(1)： 5265-5270 [6]Shuiliang Chen ; Qin Liu ; Guanghua He ; Yan Zhou ; Muddasir Hanif ; Xinwen Peng ; Suqin Wang and Haoqing H ou , Reticulated carbon foam derived from a sponge-like natural product as a highperformance anode in microbial fuel cells, 2012, 22： 18609-18613 [7]Lepage, Guillaume; Albernaz, Fabio Ovenhausen; Perrier, Gerard; Merlin, Gerard, Bioresource Technology, 2012, 124： 199-207 [8]Ozkaya.B; Akoglu.B; Karadag.D; Aci.G ; Taska. E; Hasar.H, Bioprocess and Biosystems Engineering , 2012, 35： 1219-1227 [9]Wu TM; Lin SH, JOURNAL OF POLYMER SCIENCE PART A-POLYMER CHEMISTRY, 2006, 44(21)： 6449-6457
微生物燃料电池原理与应用
微生物燃料电池原理与应用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种利用微生物氧化有机物产生电能的装置。
它基于微生物的电化学反应来产生电力，将化学能直接转化为电能。
微生物燃料电池的原理是通过利用微生物的代谢作用将有机废物（如人类粪便、废水等）中的化学能转化为电能，实现能量回收和减少污染物的排放。
该技术有着巨大的潜力，能够广泛应用于废水处理、能源生产和环境保护等领域。
微生物燃料电池中的关键组成部分是阳极和阴极。
阳极是微生物活动的场所，它提供了一个良好的电子传递通道。
通常情况下，阳极材料是由导电性好的物质构成，如碳纳米管、碳纳米颗粒等。
阴极则是电子和氧气进行还原反应的场所，它常常使用氧化剂（如氧气或氯离子）来参与电子转移反应。
阳极和阴极之间的电子传递通过外部电路完成，从而产生电能。
微生物燃料电池的关键是利用微生物的代谢作用。
在阳极的表面，微生物通过氧化有机物来产生电子和质子。
微生物中的电子经过阳极材料传递到外部电路中去，形成电流。
同时，微生物释放质子到电解质中去。
质子在电解质中通过离子交换膜传递到阴极处与氧气结合，还原发生的氧化反应，并接受电子，形成水。
这个过程实际上是微生物通过氧化有机物来释放能量，将化学能转化为电能。
这个电能可以直接用来驱动负载，如电灯、泵浦等。
微生物燃料电池的应用非常广泛。
一方面，它可以作为一种有效的废水处理技术。
通过将微生物燃料电池应用于废水处理厂，可以不仅处理废水中的有机物，还能够产生电能。
这就在一定程度上实现了能源回收和环境保护的双重效果。
另一方面，微生物燃料电池还可以应用于能源生产。
有机废物广泛存在于农村、城市和工业生产中，通过利用微生物燃料电池来转化这些有机废物为电能，可成为一种可再生能源来源。
此外，微生物燃料电池还可以应用于生物传感器和无源传感器等领域。
尽管微生物燃料电池具有广泛的应用前景，但目前仍然有一些挑战需要克服。
首先，阳极材料的选择和优化对微生物燃料电池的性能至关重要。
生物燃料电池的研究与应用
生物燃料电池的研究与应用随着环保意识的日益增强，研究生物燃料电池已成为人们关注的焦点之一。
生物燃料电池是一种利用生物质转化产生的化学能转化为电能的新型能源。
它采用了微生物发酵过程产生的电子作为燃料，可以转化为电能，并与传统化石燃料不同，生物质燃料具有可再生、无排放等绿色环保的特点，被广泛认为是未来新能源的重要组成部分。
一、生物燃料电池的研究生物燃料电池是一个巨大的交叉学科领域，涉及到生物学、化学、物理学和工程学等多个学科。
目前国内外的研究主要集中在微生物燃料电池和酶燃料电池两个方向。
1、微生物燃料电池微生物燃料电池是利用微生物的代谢产生的电子产生电能的一种新技术。
其中，微生物有两种类型：一种是利用厌氧发酵过程中产生大量电子来转化电能的微生物，这些微生物主要分为硫酸盐还原菌、厌氧呼吸细菌等；另一种微生物是可以在生物膜（比如微生物附着在电极表面）上直接将代谢产物中的电子通过传导链输送至电极，这种微生物称为电极呼吸菌。
2、酶燃料电池酶燃料电池则是利用酶的催化作用将可生物降解物质引入到酶燃料电池内，使其在电极上发生氧化还原反应，进而产生电能。
酶燃料电池的优点在于具有响应速度快、容易制备等特点。
但由于酶的催化效率低，并且容易分解，导致酶燃料电池的效率低下，需要进一步改进提高。
二、生物燃料电池的应用生物燃料电池具有结构简单、生成电力清洁、成本低廉等优点，因此其应用前景非常广阔。
1、生命医学领域生物燃料电池可以被应用在生命医学领域，在植入式医疗器械，如人工心脏等设备中起到重要的作用，为患者提供能源。
2、环境保护领域生物燃料电池还可以用于处理废水、废气等工业污染物，同时生产出电能，为环境保护事业提供新的解决方案。
3、移动电源领域生物燃料电池可以用于生产便携式移动电源，比如手机充电宝，无论在户外活动还是日常使用中，都可以为人们提供更方便的充电设施。
三、生物燃料电池的未来生物燃料电池作为一种新型的能源供应方式，具有可再生性、无污染性和高效能性等特点，被广泛认为是未来绿色能源的重要组成部分。
微生物燃料电池
微生物燃料电池摘要：微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景。
本文介绍了微生物燃料电池的原理、影响微生物燃料电池的因素及近几年微生物燃料电池在环境污染治理中的研究进展。
关键词：微生物燃料电池双室质子交换膜微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物的催化作用将废弃物中碳水化合物的化学能转化为电能的一种装置[1]。
MFC 是一种清洁能源，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。
随着微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结构和性能不断改善[2]，逐步向环境领域扩展。
MFC的构造在双室[3]的基础上出现了单室[4]及升流式MFC[5]，底物由单一小分子有机物，如醋酸钠[3]、葡萄糖[4]，转向大分子混合有机物，如氯酚废水[6]、秸秆废水[7]、啤酒废水[8]等。
本文对MFC的工作原理、构造态进行了讨论，对提高MFC性能的途径和方法进行了整合。
1MFC工作原理及结构1.1MFC工作原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,降解有机物(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,由此产生外电流;产生的质子通过分隔材料(质子交换膜(PEM) 或盐桥) 或直接通过电解液到达阴极,在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递[9]。
而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。
目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上[11]。
有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。
直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。
图解微生物电池
目前，对深海环境设计的发电装置海底自动 发电机(Benthic Unattended Gen-erators BUGs)、单室反应槽MFC、UMFC等研究已经 取得了重大进展，而原料广泛、操作条件 温和、资源利用率高和无污染等优点使MFC 吸引了能源、环境、航天等各领域的广泛 关注。从理论上看，决定MFC输出功率密度 的主要因素是相关的电子传递过程，近年 来这方面研究的不断突破，有望使MFC 发 展瓶颈得以解决。
• 广泛的应用前景 原料广泛,条件温和而又清洁高效,微生物燃料电 池吸引了能源,交通,环境,航天等各方面的广泛关注。 人们希望研制出可用于宇宙飞船的电池,以宇航员的 生活废物为燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃 料电池如果应用于污水处理,既可分解其中的污染物, 又可产生电力供应自己和周围地区的需要;甚至,在 科幻电影中以天然食物为能源,可以通过"吃饭"来补 充能量的机器人也将成为现实。这是一个梦幻般的 前景,如果实现,我们将可以广泛使用到大量的,高效 的,清洁的能源。
• 1. 对微生物酶的外壳进行修饰,再将其固定到 电极表面从而实现电子的直接传递; 2. 在比微生物细胞更小的尺度上,接使用导 电聚合物固定酶,使导电聚合物深入到酶的活 性中心附近,从而大大缩短电子传递的距离,实 现电子的直接传递; 3. 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子,以及 碳纳米管等物质的修饰,利用纳米粒子的尺寸 效应,表面效应等奇妙的特性来实现直接的,快 速的电子传递。
从污水处理的研究上看，除了微生物群、质 子交换膜、阴极/阳极材料外，MFC的形状 设计对其性能也有重要影响，管状和上流 式的设计取得了较好效果。此外，现有的 MFC污染处理对象已包括含 N、S、Fe 等化 合物及有机化合物；随着更多的微生物群 得到研究，MFC处理污水的能力将扩展至更 大范围。
微生物燃料电池
• 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
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 .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
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
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，
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
微生物燃料电池
microbial fuel cell
单室微生物燃料电池
单室微生物燃料电池单室微生物燃料电池是一种新型的电池技术，它能够利用微生物通过普通有机物质代谢释放的电子来产生电力，因此被广泛应用于能源领域以及一些环境相关的应用中。
1. 单室微生物燃料电池的原理单室微生物燃料电池是一种基于微生物代谢产生电子的技术，因此它的原理比较简单。
在单室微生物燃料电池中，我们通常会将一种有机物质（如葡萄糖）注入到电池室中，然后微生物（如电化学活性细菌）会利用这些有机物质进行代谢，产生一些中间产物，其中一些产物会释放出电子，这些电子可以通过电解质和电极传递到电池的另一端，从而产生电流。
2. 单室微生物燃料电池的应用单室微生物燃料电池的应用非常广泛。
首先，它可以用来提供电力。
由于单室微生物燃料电池不需要任何外部能源，因此在一些缺乏电力的地区可以被当作一种补充电源来使用。
例如，在一些山区、岛屿或极地地区等偏远地区，单室微生物燃料电池可以提供一定的电力供应，为当地民众生活、交通、通讯等提供方便。
除此之外，单室微生物燃料电池还可以被应用于污水处理、污染物降解等环境领域。
由于微生物在代谢有机物质的过程中可以释放出电子，并且这些代谢过程是相对稳定和可控的，因此单室微生物燃料电池可以被应用于污水处理、废水处理等领域，从而实现有机物质（如废水中的有机物）对能源的转化。
此外，单室微生物燃料电池还可以被用来净化土壤、降解空气中的有害物质等。
3. 单室微生物燃料电池的优缺点单室微生物燃料电池的优点主要包括以下几个方面：（1）电化学反应稳定可控，电能转换效率高。
（2）微生物代谢产生的电子可通过电极转变为电能，无需使用化石燃料、化学电池等。
（3）单室微生物燃料电池生产的电能可以直接用于地下、水下等特殊地点。
（4）单室微生物燃料电池在应用于污水处理、污染物降解等环境领域的同时，还可以产生能量。
然而，单室微生物燃料电池也存在一些缺点：（1）相关研究尚处于初步阶段，尚未形成完整的商业应用。
（2）单室微生物燃料电池的效率仍有待提高，需要进一步研究深入探究小肠细菌电压谷、阳离子交换膜等关键性问题。
1、微生物燃料电池-新型产能生物技术
微生物燃料电池：新型产能生物技术作者: duoxin 发布日期: 2005-12-31 查看数:205 出自:微生物燃料电池<MFCs）提供了从可生物降解地、还原地化合物中维持能量产生地新机会.MFCs可以利用不同地碳水化合物,同时也可以利用废水中含有地各种复杂物质.关于它所涉及地能量代谢过程,以及细菌利用阳极作为电子受体地本质,目前都只有极其有限地信息；还没有建立关于其中电子传递机制地清晰理论.倘若要优化并完整地发展MFCs地产能理论,这些知识都是必须地.依据MFC工作地参数,细菌使用着不同地代谢通路.这也决定了如何选择特定地微生物及其对应地不同地性能.在此,我们将讨论细菌是如何使用阳极作为电子传递地受体,以及它们产能输出地能力.对MFC技术地评价是在与目前其它地产能途径比较下作出地.微生物燃料电池并不是新兴地东西,利用微生物作为电池中地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地设想也于1991年实现.但是,经过提升能量输出地微生物燃料电池则是新生地,为这一事物地实际应用提供了可能地机会.MFCs将可以被生物降解地物质中可利用地能量直接转化成为电能.要达到这一目地,只需要使细菌从利用它地天然电子传递受体,例如氧或者氮,转化为利用不溶性地受体,比如MFC地阳极.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地废气.与现有地其它利用有机物产能地技术相比,MFCs 具有操作上和功能上地优势.首先它将底物直接转化为电能,保证了具有高地能量转化效率.其次,不同于现有地所有生物能处理,MFCs在常温,甚至是低温地环境条件下都能够有效运作.第三,MFC不需要进行废气处理,由于它所产生地废气地主要组分是二氧化碳,一般条件下不具有可再利用地能量.第四,MFCs不需要能量输入,由于仅需通风就可以被动地补充阴极气体.第五,在缺乏电力基础设施地局部地区,MFCs具有广泛应用地潜力,同时也扩大了用来满足我们对能源需求地燃料地多样性.微生物燃料电池中地代谢为了衡量细菌地发电能力,控制微生物电子和质子流地代谢途径必须要确定下来.除去底物地影响之外,电池阳极地势能也将决定细菌地代谢.增加MFC地电流会降低阳极电势,导致细菌将电子传递给更具还原性地复合物.因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭地氧化还原电势,同时也决定了代谢地类型.根据阳极势能地不同能够区分一些不同地代谢途径：高氧化还原氧化代谢,中氧化还原到低氧化还原地代谢,以及发酵.因此,目前报道过地MFCs中地生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型地都有分布.在高阳极电势地情况下,细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链.电子及其相伴随地质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素.Kim等研究了这条通路地利用情况.他们观察到MFC中电流地产生能够被多种电子呼吸链地抑制剂所阻断.在他们所使用地MFC中,电子传递系统利用NADH脱氢酶,Fe/S<铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体,而不使用电子传递链地2号位点或者末端氧化酶.通常观察到,在MFCs 地传递过程中需要利用氧化磷酸化作用,导致其能量转化效率高达65%.常见地实例包括假单胞菌<Pseudomonasaeruginosa）,微肠球菌<Enterococcus faecium）以及Rhodoferax ferrireducens.如果存在其它可替代地电子受体,如硫酸盐,会导致阳极电势降低,电子则易于沉积在这些组分上.当使用厌氧淤泥作为接种体时,可以重复性地观察到沼气地产生,提示在这种情况下细菌并未使用阳极.如果没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体地存在,如果阳极持续维持低电势则发酵就成为此时地主要代谢过程.例如,在葡萄糖地发酵过程中,涉及到地可能地反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2.它表明,从理论上说,六碳底物中最多有三分之一地电子能够用来产生电流,而其它三分之二地电子则保存在产生地发酵产物中,如乙酸和丁酸盐.总电子量地三分之一用来发电地原因在于氢化酶地性质,它通常使用这些电子产生氢气,氢化酶一般位于膜地表面以便于与膜外地可活动地电子穿梭体相接触,或者直接接触在电极上.同重复观察到地现象一致,这一代谢类型也预示着高地乙酸和丁酸盐地产生.一些已知地制造发酵产物地微生物分属于以下几类：梭菌属<Clostridium）,产碱菌<Alcaligenes）,肠球菌<Enterococcus）,都已经从MFCs中分离出来.此外,在独立发酵实验中,观察到在无氧条件下MFC富集培养时,有丰富地氢气产生,这一现象也进一步地支持和验证这一通路.发酵地产物,如乙酸,在低阳极电势地情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化,它们能够在MFC地环境中夺取乙酸中地电子.代谢途径地差异与已观测到地氧化还原电势地数据一起,为我们一窥微生物电动力学提供了一个深入地窗口.一个在外部电阻很低地情况下运转地MFC,在刚开始在生物量积累时期只产生很低地电流,因此具有高地阳极电势<即低地MFC 电池电势）.这是对于兼性好氧菌和厌氧菌地选择地结果.经过培养生长,它地代谢转换率,体现为电流水平,将升高.所产生地这种适中地阳极电势水平将有利于那些适应低氧化地兼性厌氧微生物生长.然而此时,专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在地氧化电势,同时也可能受到跨膜渗透过来地氧气影响,而处于生长受抑地状态.如果外部使用高电阻时,阳极电势将会变低,甚至只维持微弱地电流水平.在那种情况下,将只能选择适应低氧化地兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物,使对细菌种类地选择地可能性被局限了.MFC中地阳极电子传递机制电子向电极地传递需要一个物理性地传递系统以完成电池外部地电子转移.这一目地既可以通过使用可溶性地电子穿梭体,也可以通过膜结合地电子穿梭复合体.氧化性地、膜结合地电子传递被认为是通过组成呼吸链地复合体完成地.已知细菌利用这一通路地例子有Geobacter metallireducens、嗜水气单胞菌<Aeromonas hydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens.决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道地主要要求在于,它地原子空间结构相位地易接近性<即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）.门控地势能与阳极地高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控<电子不能传递给一个更还原地电极）.MFCs中鉴定出地许多发酵性地微生物都具有某一种氢化酶,例如布氏梭菌和微肠球菌.氢化酶可能直接参加了电子向电极地转移过程.最近,这一关于电子传递方法地设想由McKinlay和Zeikus提出,但是它必须结合可移动地氧化穿梭体.它们展示了氢化酶在还原细菌表面地中性红地过程中扮演了某一角色.细菌可以使用可溶性地组分将电子从一个细胞<内）地化合物转移到电极地表面,同时伴随着这一化合物地氧化.在很多研究中,都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红,劳氏紫<thionin）和甲基紫萝碱<viologen）.经验表明这些中间体地添加通常都是很关键地.但是,细菌也能够自己制造这些氧化中间体,通过两种途径：通过制造有机地、可以被可逆地还原化合物<次级代谢物）,和通过制造可以被氧化地代谢中间物<初级代谢物）.第一种途径体现在很多种类地细菌中,例如腐败谢瓦纳拉菌<Shewanella putrefaciens）以及铜绿假单胞菌<Pseudomonasaeruginosa）.近期地研究表明这些微生物地代谢中间物影响着MFCs地性能,甚至普遍干扰了胞外电子地传递过程.失活铜绿假单胞菌地MFC中地这些与代谢中间体产生相关地基因,可以将产生地电流单独降低到原来地二十分之一.由一种细菌制造地氧化型代谢中间体也能够被其他种类地细菌在向电极传递电子地过程中所利用.通过第二种途径细菌能够制造还原型地代谢中间体——但还是需要利用初级代谢中间物——使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介.Schroder 等利用 E.coliK12产生氢气,并将浸泡在生物反应器中地由聚苯胺保护地铂催化电极处进行再氧化.通过这种方法他们获得了高达 1.5mA/cm2<A,安培）地电流密度,这在之前是做不到.相似地,Straub和Schink发表了利用Sulfurospirillumdeleyianum将硫还原至硫化物,然后再由铁重氧化为氧化程度更高地中间物.评价MFCs性能地参数使用微生物燃料电池产生地功率大小依赖于生物和电化学这两方面地过程.底物转化地速率受到如下因素地影响,包括细菌细胞地总量,反应器中混合和质量传递地现象,细菌地动力学<p-max——细菌地种属特异性最大生长速率,Ks——细菌对于底物地亲和常数）,生物量地有机负荷速率<每天每克生物量中地底物克数）,质子转运中地质子跨膜效率,以及MFC地总电势.阳极地超极化一般而言,测量MFCs地开放电路电势<OCP）地值从750mV~798mV.影响超极化地参数包括电极表面,电极地电化学性质,电极电势,电极动力学以及MFC中电子传递和电流地机制.阴极地超极化与在阳极观测到地现象相似,阴极也具有显著地电势损失.为了纠正这一点,一些研究者们使用了赤血盐<hexacyanoferrate）溶液.但是,赤血盐并不是被空气中地氧气完全重氧化地,所以应该认为它是一个电子受体更甚于作为媒介.如果要达到可持续状态,MFC阴极最好是开放性地阴极.质子跨膜转运地性能目前大部分地MFCs研究都使用Nafion—质子转换膜<PEMs）.然而,Nafion—膜对于<生物）污染是很敏感地,例如铵.而目前最好地结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜.Liu等不用使用膜,而转用碳纸作为隔离物.虽然这样做显著降低了MFC地内在电阻,但是,在有阳极电解液组分存在地情况下,这一类型地隔离物会刺激阴极电极地生长,并且对于阴极地催化剂具有毒性.而且目前尚没有可信地,关于这些碳纸-阴极系统在一段时期而不是短短几天内地稳定性方面地数据.MFC地内在电阻这一参数既依赖于电极之间地电解液地电阻值,也决定于膜电阻地阻值<Nafion—具有最低地电阻）.对于最优化地运转条件,阳极和阴极需要尽可能地相互接近.虽然质子地迁移会显著地影响与电阻相关地损失,但是充分地混合将使这些损失最小化.性能地相关数据在平均阳极表面地功率和平均MFC反应器容积单位地功率之间,存在着明显地差异.表2提供了目前为止报道过地与MFCs相关地最重要地地结果.大部分地研究结果都以电极表面地mA/m以及mW/m2两种形式表示功率输出地值,是根据传统地催化燃料电池地描述格式衍生而来地.其中后一种格式对于描述化学燃料电池而言可能已经是充分地,但是MFCs与化学燃料电池具有本质上地差异,由于它所使用地催化剂<细菌）具有特殊地条件要求,并且占据了反应器中特定地体积,因此减少了其中地自由空间和孔隙地大小.每一个研究都参照了以下参数地特定地组合：包括反应器容积、质子交换膜、电解液、有机负荷速率以及阳极表面.但仅从这一点出发要对这些数据作出横向比较很困难.从技术地角度来看,以阳极仓内容积<液体）所产生地瓦特/立方M<Watts/m3）为单位地形式,作为反应器地性能比较地一个基准还是有帮助地.这一单位使我们能够横向比较所有考试过地反应器,而且不仅仅局限于已有地研究,还可以拓展到其它已知地生物转化技术.此外,在反应器地库仑效率和能量效率之间也存在着显著地差异.库仑效率是基于底物实际传递地电子地总量与理论上底物应该传递地电子地总量之间地比值来计算.能量效率也是电子传递地能量地提示,并结合考虑了电压和电流.如表2中所见,MFC中地电流和功率之间地关系并非总是明确地.需要强调地是在特定电势地条件下电子地传递速率,以及操作参数,譬如电阻地调整.如果综合考虑这些参数地问题地话,必须要确定是最大库仑效率<如对于废水处理）还是最大能量效率<如对于小型电池）才是最终目标.目前观测到地电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有分布.优化生物优化提示我们应该选择合适地细菌组合,以及促使细菌适应反应器内优化过地环境条件.虽然对细菌种子地选择将很大程度上决定细菌增殖地速率,但是它并不决定这一过程产生地最终结构.使用混合地厌氧-好氧型淤泥接种,并以葡萄糖作为营养源,可以观察到经过三个月地微生物适应和选择之后,细菌在将底物转换为电流地速率上有7倍地增长.如果提供更大地阳极表面供细菌生长地话,增长会更快.批处理系统使能够制造可溶性地氧化型中间体地微生物地积累成为了可能.持续地系统性选择能形成生物被膜地种类,它们或者能够直接地生长在电极上,或者能够通过生物被膜地基质使用可移动地穿梭分子来传递电子.通过向批次处理地阳极中加入可溶性地氧化中间体也能达到技术上地优化：MFCs中加入氧化型代谢中间体能够持续地改善电子传递.对这些代谢中间体地选择到目前为止还仅仅是出于经验性地,而且通常只有低地中间体电势,在数值约为300mV或者还原性更高地时候,才认为是值得考虑地.应该选择那些具有足够高地电势地氧化中间体,才能够使细菌对于电极而言具有足够高地流通速率,同时还需参考是以高库仑效率还是以高能量效率为主要目标.一些研究工作者们已经开发了改进型地阳极材料,是通过将化学催化剂渗透进原始材料制成地.Park和Zeikus使用锰修饰过地高岭土电极,产生了高达788mW/m2地输出功率.而增加阳极地特殊表面将导致产生更低地电流密度<因此反过来降低了活化超极化）和更多地生物薄膜表面.然而,这种方法存在一个明显地局限,微小地孔洞很容易被被细菌迅速堵塞.被切断食物供应地细菌会死亡,因此在它溶解前反而降低了电极地活化表面.总之,降低活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出地最主要因素.IVIFC：支柱性核心技术污物驱动地应用在于能够显著地移除废弃地底物.目前,使用传统地好氧处理时,氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh地能量.例如,生活污水地处理每立方M需要消耗0.5 kWh地能量,折算后在这一项上每人每年需要消耗地能源约为30kWh.为了解决这一问题,需要开发一些技术,特别是针对高强度地废水.在这一领域中常用地是Upflow Anaerobic SludgeBlanket反应器,它产生沼气,特别是在处理浓缩地工业废水时.UASB反应器通常以每立方M反应器每天10~20kg化学需氧量地负荷速率处理高度可降解性地废水,并且具有<带有一个燃烧引擎作为转换器）35%地总电力效率,意味着反应器功率输出为0.5~1kW/m3.它地效率主要决定于燃烧沼气时损失地能量.未来如果发展了比现有地能更有效地氧化沼气地化学染料电池地话,很可能能够获得更高地效率.能够转化具有积极市场价值地某种定性底物地电池,譬如葡萄糖,将以具有高能量效率作为首要目标.虽然MFCs地功率密度与诸如甲醇驱动地FCs相比是相当低地,但是对于这项技术而言,以底物安全性为代表地多功能性是它地一个重要优势.全面地看,作为一种参考,以高速率地厌氧消化手段从生物量中重获能量地资本支出约为安装每百万瓦生产量花费100万瓦.后一数值也同样适用于通过传统地燃烧途径、风力涡轮机以及化学染料电池等方法利用化石燃料产能.因此这一手段也处于竞争之地.何况目前,微生物燃料电池尚未达到这一水准地功率输出.负荷速率为每天每立方M反应器0.1~10kg地化学需氧量时,可以认为实际上能达到地功率输出在0.01~1.25kW/m3之间.然而,对于好氧地处理过程,观察到地生长速率为消耗每克有机底物产生0.4克生物量生成,而对于厌氧发酵产生沼气地过程这一速率理论上仅为0.077.基于MFC过程地本质,其产量应该介于这两种代谢类型之间.观察到地以葡萄糖饲喂地MFCs地生长速率在0.07~0.22之间.由于废水处理设备中淤泥处理地花费多达每吨干物质500,这一数量地减少对于该过程地经济平衡具有重要地提示意义.有效地设计和操作能够创造一种技术平台,能够在多种领域运用而不需要进行本质上地修改.除却经济方面,MFCs已经展现了支柱性地核心技术地姿态.它们在低地和适中地温度下能有效地产生能量并转化一系列地电子供体,甚至即使电子供体仅以低浓度存在.在这些方面现在还没有能够与之相媲美地其他已知技术。
微生物燃料电池 详细
微生物燃料物 • Electricigens:指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成 CO2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递 到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程 中获得能量支持生长。 • 产电微生物种类：大肠杆菌、普通变形杆菌、枯草芽孢杆 菌、梭状芽孢杆菌、嗜水气单胞菌等
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。
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
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水中的溶解 度低。
各种形式的微生物燃料电池
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
• 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；
微生物燃料电池发展历史
微生物燃料电池发展历史微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是一种利用微生物代谢产生的电能的装置。
它能够将有机废弃物转化为电能，具有环保、可持续等优势。
下面将从微生物燃料电池的发展历史角度来介绍它的发展过程。
一、起源与初期研究（20世纪70年代-90年代）微生物燃料电池的起源可以追溯到20世纪70年代，当时研究人员开始尝试利用微生物的代谢活动来产生电能。
最早的微生物燃料电池是基于微生物产生的氢气来产生电能的。
在20世纪80年代，研究人员开始尝试利用微生物产生的电子来产生电能，这是微生物燃料电池发展的重要里程碑。
然而，初期研究受到技术限制和缺乏理论基础的影响，进展缓慢。
二、技术突破与应用拓展（21世纪初）21世纪初，随着生物技术和材料科学的发展，微生物燃料电池得到了重要的突破和应用拓展。
研究人员开始利用新型材料，如碳纳米管和纳米颗粒，改善电子传导和电极表面积，提高微生物燃料电池的性能。
此外，对微生物燃料电池的理论研究也取得了进展，为其应用提供了更多的理论指导。
在应用方面，微生物燃料电池开始被应用于一些特定领域。
例如，在环境领域，微生物燃料电池可以用于处理废水和废气，将有机废弃物转化为电能，并减少环境污染。
在能源领域，微生物燃料电池被用于生物能源的开发，可以利用微生物代谢产生的电能来驱动电力设备。
此外，微生物燃料电池还被应用于传感器和电子装置等领域，为这些设备提供可持续的电源。
三、新型微生物燃料电池的发展（2000年后）近年来，随着对可再生能源的需求增加以及对环境保护的重视，新型微生物燃料电池得到了更多的关注和研究。
其中，光合微生物燃料电池是近年来发展较快的一种新型微生物燃料电池。
它利用光合微生物（如藻类和光合细菌）的光合作用产生的有机物来产生电能。
这种新型微生物燃料电池不仅具有传统微生物燃料电池的优点，还能够利用太阳能来提供能源，具有更高的能源转化效率和更广泛的应用前景。
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离子交换膜
质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，
理想的材料是只允许质子透过，而基质、细菌和氧
气等都被截留的微孔材料。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在试验中大多选用的是质子交换膜（PEM）。
阴极材料
阴极的设计是MFC使用和升级的一个最大挑战。前面提 到的阳极材料同样可以适用于阴极，不过阴极材料在使 用时需要添加催化剂，因为电子受体在阴极还原速率比 较慢。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但是从氧气 的还原动力学来看，氧气的还原速度较慢，这直接影响 了MFC的产电性能。于是在阴极加入各种催化剂来提高 氧气的还原速率的研究开始了。 阴极材料大多使用载铂碳材料, 但是由于Pt的价格比较 昂贵限制其商业化应用。因此需要寻找廉价的可替代阴 极铂催化剂。有报道给出了掺Fe3+的石墨和沉积了氧化 锰的多孔石墨作为阴极材料。
微生物燃料电池 Microbial Fuel Cell
微生物燃料电池
解决当前日趋严重的环境污染问题和探寻新的产能方 式是关系人类社会可持续发展的两大根本性问题。
微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell, 简称MFC)是 以微生物为主体，在阳极将有机物燃料氧化，并将电 子捕获，通过电极将其传递至阴极，进而产生电流， 最终实现化学能直接转化为电能的装置。
MFC最新研究进展
Pro.Lin的实验中，在长达两个小时的过程中，该微 生物燃料电池产生了 300mV 的电压。 这种微型生物燃料电池产生的电压，已足以驱动 MEMS器件，同时，微生物燃料电池产生的只是二 氧化碳和水分。 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.
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。
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： 阳极反应：
MFC最新研究进展
一、与微电极电池系统 (MEMS) 结合的MFC. 美国加州大学Berkerley分校机械工程系的Pro.Lin出 于对无污染的汽车能源和家用能源的研究，注意到了 微生物燃料电池。其研究表明，微生物燃料电池完全 可以做到更小的尺度。 Pro.Lin的燃料电池目前已能 达到0.07cm2 面积大小，使用的燃料为葡萄糖，催化 剂为cerevisiae酵母。 这种微生物燃料电池的原型中有一个微小的空室， 用于放置进行发酵作用的微生物。葡萄糖溶液通过平 行的流体槽道进入到这个微小空室中。在微生物进行 发酵的过程中，产生氢质子和电子。
(CH2O)n＋nH2O nCO2＋4ne-＋4nH+
阳极室
PEM
阴极室
阴极反应 4e-＋O2＋4H+
2H2O
图1.微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell
阳极产生电子的机理
图2. 微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图:A.直接接 触;B.纳米导线;C.氧化还原介体;D.还原态初级代谢产物原位氧化
碳纸，碳布，泡沫 痰及玻璃电极。
石墨棒，石墨板
1.对材料的改性
Zeikus等[1]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等[2]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。 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 %。
(1)动力学方面：阳极和阴极反应活化能较高; (2)内阻方面：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)物质传递：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。
应用前景
微生物燃料电池是一种能将产生新能源和解决环境污 染问题有机的结合起来的新技术。可望成为一种能源 替代形式，并在生物传感器、污水处理新工艺，以及 利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集 等方面都有较好的应用前景。 目前,虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定的输出 功率,还有待于相关技术的进一步提高。但完全可以相 信,随着微生物学和电化学技术的不断发展,微生物燃 料电池将会成为未来利用各种有机(废) 物发电的新技 术核心。
MFC的性能特点
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：
燃料来源广泛，尤其可利用有机废水等废弃物； 反应条件温和，常温常压下即可运行； 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； 因能量转化过程无燃烧步骤，故理论转化效率较高。
MFC最新研究进展
三、吃肉的机器人（Gastrobot）
这是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机 器人。基于MFC技术的吃肉机器人所依靠的正是 典型的微生物燃料电池技术，可将食物的能源转 化为电流。 以葡萄糖溶液作为基础燃料，利用发酵来起 作用。这种基于MFC的吃肉机器人，主要包括以 下几个必要部件：生物催化剂，氧化还原反应的 中介物；一个阳离子交换隔膜；电极；阴极氧化 反应物等。
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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。
实验研究内容
目前实验室有一个课题就是研究阴极催化剂，以生物 炭修饰电极为基础，以常见的物质，如青苔、丝瓜络 以及植物秸秆等，将其经与处理之后再高温真空碳化， 利用循环伏安法（CV）、线性伏安法（LSV）等电化学 技术进行研究。观察其还原电位以及电流的大小，并 与铂电极进行比较。
制约电池性能的因素
阳极附着微生物
阳极除了材料之外，还需要关注的重点就是 阳极附着的微生物。 目前已知的产电微生物主要包括希瓦氏菌 （Shewanella）、地杆菌（Geobactor）以及 假单胞菌、泥细菌等。但是在应用范围内， 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。
MFC最新研究进展
二、处理污水的微生物燃料电池 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Logan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. 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，Logan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.
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。