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读书笔记之微生物燃料电池

摘要

在能源短缺和环境污染的双重压力下，微生物燃料电池以其独特的高效、清洁、适应性强的优点而得到人们青睐，并成为当前能源领域的研究热点[1]。本文综合了五篇有关微生物燃料电池原理及应用的核心论点，结合自己的思考，讨论了如何提升微生物燃料电池的功率密度。最后还展望了微生物燃料电池在开发新能源和医疗环保方面的应用前景。

关键词：微生物燃料电池，功率密度，传质效率，能源，环保

1.我对这个课题感兴趣的原因

由于能源问题和环境保护问题越来越受到人们的关注，十八大提出的要建设生态文明国家深刻地影响着每一个人，我也不例外，于是才开始查找既能产生能源又能解决环境污染的新科学技术。最终我找到的是微生物燃料电池，简称MFC，是集污染处理和发电于一体的绿色高效产能技术，具有非常好的发展前景，可用于发电、产氢、污水处理、传感器、生物修复等方面[2]。

2.阅读过程中发现的问题以及我的思考和对策

在我阅读的五篇论文中，主要讲述了MFC的工作原理以及在产电、污水处理方面的应用，五篇论文关于MFC的工作原理大同小异，现摘抄如下。环保生物燃料电池的工作过程分为几个步骤：在阳极区，微生物利用电极材料作为电子受体将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子(NADH)的释放；释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上；电子通过导线转移到阴极区，同时，由NADH释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区；在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水，随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流[3]。

论文中提到现今MFC还未能大规模地应用于工业生产上面的主要原因是MFC的功

率密度很低，实用价值不高。虽然微生物利用有机物的效率是比较高的，但是影响功率密度的因素却非常多，导致最终MFC的功率密度很小。在这一方面作为功能之源的微生物确实对产电能力有很大影响，但我们都知道，一眼泉水流量多大关键还是要靠渠道的大小，所以我觉得要提高MFC的功率密度，应该重点解决如何提高电子、质子的传递速率。其中最主要的因素有电极材料、电极距离与面积、缓冲溶液、质子交换膜，下面我将详细讨论一下如何改变这些影响因素来提高电子、质子传递速率。

首先是电极材料、电极距离与面积。阳极材料应具有良好的导电性、较强的耐腐蚀性、较大的比表面积和较高的生物相容性等特点[1]。由于碳材料价廉且兼具上述特点，故而应用得较广泛，但是碳材料却没有电催化活性，而且比表面积也不大，若采用纳米技术，不仅可以大大增加碳材料的比表面积，还能在碳材料表面的微孔结构形成活性中心或者在微孔里面加入催化剂，这样就能有效地提高电子传递速率。对阴极材料的要求类同于阳极，但以氧气为阴极电子受体时，阴极表面常需负载Pt等贵金属催化剂以提高氧气的还原效率[1]。同样地，阴极材料也可采用纳米技术，此外，寻找更高效、便宜、安全无毒的催化剂也是一种可行的方法。

然后是缓冲液，很显然，缓冲液对电子、质子的传递效率影响很大，若缓冲液选择不恰当，那么电子将很难由微生物表面转移到电极上，质子也难以从阳极区转移到阴极区。所以，选择合适的缓冲液很重要，攸关整个MFC的效率，这方面就只能依靠研究人员不断地探索寻找合适的缓冲液了。不过我想到的是，既然缓冲液对电池影响那么大，如果不用缓冲液的话，那不就能大大地加快传质速率了吗？我觉得可以把微生物附着在电极上，微生物的膜直接与电极相接触，要做到这种程度，电极材料必须与微生物有良好的相容性。所以，若是能开发出一种生物电极，能够与微生物完全地相容，那么不就能免去电极材料与缓冲液的电子交换，以及缓冲液与微生物间的电子交换这两个阶段，亦即可以不用缓冲液，传质速率将会有飞跃性提升。

接着是质子交换膜，膜的主要功能是让质子（或其他阳离子和阴离子）通过，形成电流，同时阻隔阴极室和阳极室，防止阴极氧化剂和阳极燃料直接接触，提高库仑效率。膜应具有良好的离子通透和物相分隔性能，同时具备交换容量大、内阻小和抗腐蚀性强等特点[1]。质子交换膜对MFC的影响和缓冲液是一样的，不过它还具有隔离阴阳两极室，防止氧化剂与燃料的接触，增加膜面积是提高传质效率的一种手段，但我的想法还是和缓冲液的处理方法一样，舍去质子交换膜，既能提高电池效率，又能节省资金开销。

微生物燃料电池中的质子交换膜大大提高了其运行成本并降低系统的发电效果，而且膜大大限制了微生物燃料电池在废水处理中的应用[3]。在这方面已有进展了，Liu等用无质子交换膜的MFC处理污水时发现，当去掉PEM后，减少了内阻，功率密度上升到494mW/m2，为有质子交换膜的5倍，无膜MFC在近年得到很大发展[4]。Jang等开发出无膜MFC并成功应用在富集电化学活性微生物并将有机污染物转化为电能的研究中，引起了很多人对MFC的关注[4]。无膜的MFC可以通过降低投资、削减膜购买及维持的费用来提高废水处理工艺的经济可行性。

3.应用领域的展望

以上种种迹象表明，要提高MFC的效率，应发展电池一体化技术，即舍去缓冲液和质子交换膜，把微生物和阴阳极直接关联，才能最大限度地提升MFC的功率密度，同时还能节省大量材料、金钱，另外，这一技术对于MFC微型化有很大的帮助。例如可将MFC植入人体中作为起搏器电源，直接以人体内的有机物为燃料，只要不损坏，几乎能够终生使用。提到燃料电池，不得不提一下氢燃料电池，众所周知，氢燃料电池的发展瓶颈在于氢气的产生及储运困难，且易燃易爆，比较危险。倘若能够联合MFC 和氢燃料电池，利用MFC产生氢气，那么关于氢气的产生及储运就可以一次性解决，危险性也大大降低，同时MFC的总利用效率也将大大提高，这是非常诱人的想法。当然，这些都只是个人的臆想，没有那么容易就能够实现，需要靠科研工作者的艰辛劳动才能一步一步走向实用阶段。

垃圾处理也是现今引起各国关注的环保问题，以前一般是将垃圾埋在地下堆肥，不过随着土地资源的日益枯竭以及堆肥带来的一系列问题如重金属污染、微生物污染，越来越多的国家着手处理垃圾污染，其中MFC在处理污泥方面大放异彩。以剩余污泥作为微生物燃料电池的燃料，是一种新的剩余污泥资源化利用方法，既处理了剩余污泥，又能将污泥中的化学能直接转化成电能，从而实现污泥的稳定化与资源化利用，对解决全球能源短缺和污泥处理过程中能耗较高等问题具有重要的参考价值[5]。

4.总结

总之MFC的发展前景是非常巨大的，随着能源、环境问题日趋严峻，有关MFC的研究也必定会越来越热门，直至投入实用化的时候，将带来可观的收益以及更美好的生