生物燃料电池
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种利用微生物将化学能直接转化为电能的装置.
– 生活和工业污废水中含有的丰富有机物就可以作为其 原料来源,从中直接获取电能。因此,微生物燃料电池 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。
四、微生物燃料电池（MFC）
2、工作原理
• 微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介 体传递给阳极,再经过外电路转移到阴极;在阴极区电子将电子受体(如氧) 还 原,然后透过质子交换膜( PEM) 转移过来的质子结合生成水。
用酶使燃料氧化，以酶反应生 用酶使燃料氧化时需要
成物进行电极反应
用辅酶，还原后辅酶参
与电极反应
尿素电池 CO (NH2)2+H2O
葡萄糖燃料电池
→CO2+2NH3（尿素酶催化）
NH3
源自文库
葡萄糖
O2
O2
生物催化阳极
2、组成
– 底物：乙醇，乳酸酯、氢气、果糖、蔗糖，葡萄糖
– 酶：葡萄糖氧化酶，脱氢酶
3、举例
一、生物燃料电池发展史
• e. 近年，开发无隔膜的生物电池；
• f. 2007年8月，Sony公司宣布开发出一种新型的生物电池， 这种电池通过使用生化酶作为催化剂，将碳水化合物（糖） 转换为电能输出。开创了生物电池的新纪元。50mw/40cc
• g. 2009年，在FC expo(国际氢燃料电池展)上，Sony公司 演示了喝“可乐”的生物电池，所发的电力带动与马达连 接的风扇。70mw/28cc
剂就会产生持续的电流。
二、生物燃料电池概述
3、生物燃料电池设计原
理
负载
e
Catox
燃料 氧化剂还原态
e
Cat’ox
阳极
Catred
燃料氧化态 氧化剂
Cat’red
阴极
图：生物燃料电池装置图
在无隔膜装置中燃料在阳极被催化剂（Cat）氧化，氧化剂 在阴极被催化剂（Cat’）还原，给负载提供能量
二、生物燃料电池概述
葡萄糖
葡萄酸内酯
糖分解酶
玻 璃 纸
介质
阳极
氧再生酶
介质
阴极
生物电池包括一个由糖分解酶和介
质组成的阳极，一个由氧再生酶和介 质组成的阴极，这两端由玻璃纸分隔 开。
阳极释放电子，氢离子通过下面的
过程通过氧化酶的作用从葡萄糖中分 解出来。 阳极：葡萄糖→葡糖酸内酯＋2H+＋2e-
氢离子穿过隔离器向阴极移动，一
4、分类 • 按电子传递的方式分：
– 直接和间接生物燃料电池
•按电子传递的方式分
底物 产物
e
电
酶
极
产物ox 底物red
酶red 酶ox
介体ox 电 极
介体red
E0(底物/产物)< E0(酶ox/酶red)< E0(介体ox/介体red)
酶和电极间直接电子传递过程
直接电子传递条件：电极表面和生物催 化剂所覆盖的单向单层膜间紧密接触。 缺点：电流和功率密度较小。
游离氧浓度 游离氧浓度
2.141*10-4mol/L 5.4*10-5mol/L
• 4、存在问题 –电池电流密度小，mA·cm-2数量级 –长期放置后使用的稳定性差
• 5、解决方法 –酶的固定化技术 –化学修饰电极
四、微生物燃料电池（MFC）
1、概述 • 微生物燃料电池(microbial full cells , MFCs)是一
– 酶燃料电池：
• 优点：酶催化剂选择性好，在生理环境中具有活性，孤立酶相 对容易固定
• 可植入生物燃料电池的目标：微型、可移植、寿命长、低功率 电源
• 电池底物：游离氧作氧化剂，葡萄糖作燃料，均为生理介质中 的有效浓度。
三、酶燃料电池
1、分类
第一类
第二类
电子传递方式 非共轭
共轭
机理
举例 阳极底物 阴极催化剂
膜的稳定性，还可以选择设计适当的氧化还原介体用 于媒介和固定。
生理学条件
动脉氧的分压 静脉氧的分压 葡萄糖浓度 ClHCO3PO43SO42Na+ K+ Ca2+ Mg2+ pH
95mmHg 40mmHg 9mmol/L 136-145mmol/L 10mmol/L 0.6mmol/L 0.2mmol/L 132-134mmol/L 4mmol/L 2mmol/L 1mmol/L 7.4
二、生物燃料电池概述
1、什么是生物燃料电池
生物燃料电池（biofuel cell）：依靠电极上的生物催化 反应将化学燃料和氧化剂转化为电能。
2、生物燃料电池的特点
原料来源广泛； 操作条件温和； 生物相容性好； 生物燃料电池结构比较简单; 发电效率高，环境污染少； 不会耗尽电源，不需要充电，只要提供足够的燃料和氧化
酶和电极间的间接电子传递过程（有介体）
使用生物催化剂立体膜，利用小分子的氧化还原剂作电 子传递的媒介体，提高生物催化电极的输出功率。 优点：使用介体可增加电子传递效率，有时可增加几个 数量级。 要求：介体有氧化态、还原态均稳定。
二、生物燃料电池概述
4、分类 按催化反应的方式分：
– 微生物燃料电池：细胞的催化反应，优点：长期长生 电流，缺点：输出功率密度低
旦抵达阴极氢离子和电子就和氧结合 产生水。 阴极：O2＋2H+＋2e- →H2O2
在这一过程电化学反应当中，电 子穿过外部的线路产生电能。
3、举例
• 介体
– 二茂铁及其衍生物，钌和锇的聚吡啶基配合物。最常 用二茂铁。
• 如何提高介生物催化电极的信号输出：增加微米 或或纳米结构的表面积。
– 多孔碳为基体负载葡萄糖氧化酶 – 酶与媒介体共固，采用纳米电极表面和化学键合提高
MFC示意图
MFC实物结构图
3、微生物燃料电池组成部分及功能
➢ 阳极：附着微生物，分解有机物，传递电子，决定MFC 的产电能力。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。材料比表面积，混合菌种
主要内容
1 生物燃料电池的发展史 ☆
2
生物燃料电池概述 ☆
3
酶燃料电池 ☆
4
微生物燃料电池 ☆
一、生物燃料电池发展史
a. 1911年,英国植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行实验， 宣布利用微生物可以产生电流，生物电池研究由此开始； b. 40多年之后,美国空间科学研究促进了生物电池的发展， 当时研究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生 活废物为原料的生物燃料电池； c. 从60年代后期到70年代，直接生物电池逐渐成为研究的 中心。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工 心脏等人造器官电源的生物电池； d. 80年代后，氧化还原介体(Mediator)的广泛应用 ，相关 的研究大多集中于阳极；
– 生活和工业污废水中含有的丰富有机物就可以作为其 原料来源,从中直接获取电能。因此,微生物燃料电池 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。
四、微生物燃料电池（MFC）
2、工作原理
• 微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介 体传递给阳极,再经过外电路转移到阴极;在阴极区电子将电子受体(如氧) 还 原,然后透过质子交换膜( PEM) 转移过来的质子结合生成水。
用酶使燃料氧化，以酶反应生 用酶使燃料氧化时需要
成物进行电极反应
用辅酶，还原后辅酶参
与电极反应
尿素电池 CO (NH2)2+H2O
葡萄糖燃料电池
→CO2+2NH3（尿素酶催化）
NH3
源自文库
葡萄糖
O2
O2
生物催化阳极
2、组成
– 底物：乙醇，乳酸酯、氢气、果糖、蔗糖，葡萄糖
– 酶：葡萄糖氧化酶，脱氢酶
3、举例
一、生物燃料电池发展史
• e. 近年，开发无隔膜的生物电池；
• f. 2007年8月，Sony公司宣布开发出一种新型的生物电池， 这种电池通过使用生化酶作为催化剂，将碳水化合物（糖） 转换为电能输出。开创了生物电池的新纪元。50mw/40cc
• g. 2009年，在FC expo(国际氢燃料电池展)上，Sony公司 演示了喝“可乐”的生物电池，所发的电力带动与马达连 接的风扇。70mw/28cc
剂就会产生持续的电流。
二、生物燃料电池概述
3、生物燃料电池设计原
理
负载
e
Catox
燃料 氧化剂还原态
e
Cat’ox
阳极
Catred
燃料氧化态 氧化剂
Cat’red
阴极
图：生物燃料电池装置图
在无隔膜装置中燃料在阳极被催化剂（Cat）氧化，氧化剂 在阴极被催化剂（Cat’）还原，给负载提供能量
二、生物燃料电池概述
葡萄糖
葡萄酸内酯
糖分解酶
玻 璃 纸
介质
阳极
氧再生酶
介质
阴极
生物电池包括一个由糖分解酶和介
质组成的阳极，一个由氧再生酶和介 质组成的阴极，这两端由玻璃纸分隔 开。
阳极释放电子，氢离子通过下面的
过程通过氧化酶的作用从葡萄糖中分 解出来。 阳极：葡萄糖→葡糖酸内酯＋2H+＋2e-
氢离子穿过隔离器向阴极移动，一
4、分类 • 按电子传递的方式分：
– 直接和间接生物燃料电池
•按电子传递的方式分
底物 产物
e
电
酶
极
产物ox 底物red
酶red 酶ox
介体ox 电 极
介体red
E0(底物/产物)< E0(酶ox/酶red)< E0(介体ox/介体red)
酶和电极间直接电子传递过程
直接电子传递条件：电极表面和生物催 化剂所覆盖的单向单层膜间紧密接触。 缺点：电流和功率密度较小。
游离氧浓度 游离氧浓度
2.141*10-4mol/L 5.4*10-5mol/L
• 4、存在问题 –电池电流密度小，mA·cm-2数量级 –长期放置后使用的稳定性差
• 5、解决方法 –酶的固定化技术 –化学修饰电极
四、微生物燃料电池（MFC）
1、概述 • 微生物燃料电池(microbial full cells , MFCs)是一
– 酶燃料电池：
• 优点：酶催化剂选择性好，在生理环境中具有活性，孤立酶相 对容易固定
• 可植入生物燃料电池的目标：微型、可移植、寿命长、低功率 电源
• 电池底物：游离氧作氧化剂，葡萄糖作燃料，均为生理介质中 的有效浓度。
三、酶燃料电池
1、分类
第一类
第二类
电子传递方式 非共轭
共轭
机理
举例 阳极底物 阴极催化剂
膜的稳定性，还可以选择设计适当的氧化还原介体用 于媒介和固定。
生理学条件
动脉氧的分压 静脉氧的分压 葡萄糖浓度 ClHCO3PO43SO42Na+ K+ Ca2+ Mg2+ pH
95mmHg 40mmHg 9mmol/L 136-145mmol/L 10mmol/L 0.6mmol/L 0.2mmol/L 132-134mmol/L 4mmol/L 2mmol/L 1mmol/L 7.4
二、生物燃料电池概述
1、什么是生物燃料电池
生物燃料电池（biofuel cell）：依靠电极上的生物催化 反应将化学燃料和氧化剂转化为电能。
2、生物燃料电池的特点
原料来源广泛； 操作条件温和； 生物相容性好； 生物燃料电池结构比较简单; 发电效率高，环境污染少； 不会耗尽电源，不需要充电，只要提供足够的燃料和氧化
酶和电极间的间接电子传递过程（有介体）
使用生物催化剂立体膜，利用小分子的氧化还原剂作电 子传递的媒介体，提高生物催化电极的输出功率。 优点：使用介体可增加电子传递效率，有时可增加几个 数量级。 要求：介体有氧化态、还原态均稳定。
二、生物燃料电池概述
4、分类 按催化反应的方式分：
– 微生物燃料电池：细胞的催化反应，优点：长期长生 电流，缺点：输出功率密度低
旦抵达阴极氢离子和电子就和氧结合 产生水。 阴极：O2＋2H+＋2e- →H2O2
在这一过程电化学反应当中，电 子穿过外部的线路产生电能。
3、举例
• 介体
– 二茂铁及其衍生物，钌和锇的聚吡啶基配合物。最常 用二茂铁。
• 如何提高介生物催化电极的信号输出：增加微米 或或纳米结构的表面积。
– 多孔碳为基体负载葡萄糖氧化酶 – 酶与媒介体共固，采用纳米电极表面和化学键合提高
MFC示意图
MFC实物结构图
3、微生物燃料电池组成部分及功能
➢ 阳极：附着微生物，分解有机物，传递电子，决定MFC 的产电能力。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。材料比表面积，混合菌种
主要内容
1 生物燃料电池的发展史 ☆
2
生物燃料电池概述 ☆
3
酶燃料电池 ☆
4
微生物燃料电池 ☆
一、生物燃料电池发展史
a. 1911年,英国植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行实验， 宣布利用微生物可以产生电流，生物电池研究由此开始； b. 40多年之后,美国空间科学研究促进了生物电池的发展， 当时研究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生 活废物为原料的生物燃料电池； c. 从60年代后期到70年代，直接生物电池逐渐成为研究的 中心。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工 心脏等人造器官电源的生物电池； d. 80年代后，氧化还原介体(Mediator)的广泛应用 ，相关 的研究大多集中于阳极；