微生物燃料电池(MFC)
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混合培养：
• 较高的工艺要求， • 底物消耗率高 • 更小的底物特异性 • 更高的能量输出
5. 影响MFC性能的参数
• 电极材料 • pH缓冲液和电解质 • 质子交换系统 • 基质的类型和组成 • 阴极室使用氧化剂的种类 • 有无催化剂
6. 电流和电压的计算
a) 电流和电荷
电流是通过测量电极表面所有可能的局部电流密度来确定的：
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
汇报人：王杰
内容
1. 不同类型的电池 2. 燃料电池和微生物燃料电池的机理 3. MFC中电子和氢气的转移机理 4. MFC的设计 5. 影响MFC性能的参数 6. 电流和电压的计算 7. MFC的一些改进措施 8. 相关文献
1.不同类型的电池
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失
产生的电荷（库伦）是根据电池电流随时间的积分计算出来的：
i：电流密度，I：MFC的总电流
b) 电压和过电压
Vcell=IR 细胞功率：P=VcellI
计算通过所有极化损耗的总和， （闭环电路）细胞电压是： Vcell=Ec - EA – (ηact + ηOhm + ηconc + ηpH diff)
• 原电池(Galvanic cell)：将化学能转化为电能；
• 燃料电池(Fuel cell)：将化学反应得自由能转化为电能的电化学装置；反 应物从外部补充，没有燃烧也没有 NOx 的产生；
• 微生物燃料电池(Microbial fuel cell)：以微生物的活动代替化学反应，以 废水等有机物作为燃料的电池。
8.5 通过添加Cu2 +和Cd2 +增强阳极细菌附着
图9 定量分析希瓦氏菌 MR-1生物膜形成能力
感谢观看
8.2 金属离子对MFC性能的影响
表3 不同金属离子对MFC电压输出的影响
+ ** 表示增强； +- 表示没有明显影响；- 表示压抑； NT 未经测试。
图6 不同浓度的Cu2+或Cd2+对MFCs最大电压输出的影响
8.3 通过Cu2+或Cd2+增强MFCs的性能
图7补充了不同金属离子的MFC的性能。 （a）带有（ 1 μg L-1Cu2+或Cd2+ ）或不添加金属离子的MFC的电压输出（带有2000欧姆外部电阻的 MFC）的时程曲线。 （Hale Waihona Puke Baidu）含（1 μg L-1Cu2+或Cd2+）或不添加金属离子的MFC的功率输出和极化电位曲线。
• 电解池(Electrolytic cell)：将电能转化为化学自由能。
2.燃料电池和微生物燃料电池的机理
燃料电池：
• 燃料电池由阳极室和阴极室组，由 允许质子流动并限制电子流动的电 解质隔开
• 氢气和氧气被输入到电池中 • 阳极上的催化剂使得氢原子释放电
子，产生H+ • 氧原子在阴极吸引H+ • H+通过电解质膜 • 电子通过外部导线到达阴极，从而
c) MFC的损失
• Ohmic（电阻）损失 • 活化损失（由于气体（或其他非试剂）在电极和电解质之间的界
面集聚） • 细胞代谢损失 • 浓度损失（由于电解质中试剂消耗不均匀，导致边界层浓度梯度） • 跨膜转移损失 • 阴极和阳极室的pH值差异造成的电压损失
7. MFC的一些改进措施
• 优化反应器配置 • 电极构造 • 添加氧化还原活性的电子供体 • 生物膜适应性（微生物细胞的化学修饰、外生电子的基因调
直接转移：
整个细胞移动
图3：电化学活性氧化还原蛋白（例如细胞色素）或导电纳米线（菌毛） 存在于其外膜上，可以将电子直接转移到阳极
质子H+的转移机理
图4 H+跳跃机制
4. 设计MFC
阳极 阴极 质子交换系统 电极催化剂
材料 石墨、石墨毡、碳纸、碳布、Pt、网状 玻璃体碳（RVC） 石墨、石墨毡、碳纸、碳布、Pt、RVC
产生电流
阳极：H2 阴极：O2 + H+ + e-
催化剂 催化剂
H+ + eH2O
微生物燃料电池：
阳极：CXHYOZ + H2O
催化剂
H+ + e- + CO2
催化剂 阴极：O2 + 4H+ + 4e-
2H2O
3. MFC中电子和氢气的转移机理
间接转移：
图1：通过外部添加的 （外部）介体
图2：通过自我产生 的（内源性）介体
8.4 通过添加Cu2 +和Cd2 +增加核黄素的产生
图8 （a）添加（ 1 μg L-1Cu2+或Cd2+ ）或不添加（对照）金属离子的MFC的 循环伏安图（CV）。 “ j1”和“ j2”分别表示相应CV曲线的催化电流。 （b）通过HPLC分析在添加（ 1 μg L-1Cu2+或Cd2+ ）或不添加（对照）金属 离子的MFC中核黄素的浓度。
微量重金属离子促进希瓦氏菌在微生物燃料电池中的细胞外电子转 移和发电
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
控或遗传修饰、生物合成）和饲料营养调整 • 其他有助于增强MFC性能的措施
8. 相关文献
Trace heavy metal ions promoted extracellular electron transfer and power generation by Shewanella in microbial fuel cells
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。
• 较高的工艺要求， • 底物消耗率高 • 更小的底物特异性 • 更高的能量输出
5. 影响MFC性能的参数
• 电极材料 • pH缓冲液和电解质 • 质子交换系统 • 基质的类型和组成 • 阴极室使用氧化剂的种类 • 有无催化剂
6. 电流和电压的计算
a) 电流和电荷
电流是通过测量电极表面所有可能的局部电流密度来确定的：
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
汇报人：王杰
内容
1. 不同类型的电池 2. 燃料电池和微生物燃料电池的机理 3. MFC中电子和氢气的转移机理 4. MFC的设计 5. 影响MFC性能的参数 6. 电流和电压的计算 7. MFC的一些改进措施 8. 相关文献
1.不同类型的电池
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失
产生的电荷（库伦）是根据电池电流随时间的积分计算出来的：
i：电流密度，I：MFC的总电流
b) 电压和过电压
Vcell=IR 细胞功率：P=VcellI
计算通过所有极化损耗的总和， （闭环电路）细胞电压是： Vcell=Ec - EA – (ηact + ηOhm + ηconc + ηpH diff)
• 原电池(Galvanic cell)：将化学能转化为电能；
• 燃料电池(Fuel cell)：将化学反应得自由能转化为电能的电化学装置；反 应物从外部补充，没有燃烧也没有 NOx 的产生；
• 微生物燃料电池(Microbial fuel cell)：以微生物的活动代替化学反应，以 废水等有机物作为燃料的电池。
8.5 通过添加Cu2 +和Cd2 +增强阳极细菌附着
图9 定量分析希瓦氏菌 MR-1生物膜形成能力
感谢观看
8.2 金属离子对MFC性能的影响
表3 不同金属离子对MFC电压输出的影响
+ ** 表示增强； +- 表示没有明显影响；- 表示压抑； NT 未经测试。
图6 不同浓度的Cu2+或Cd2+对MFCs最大电压输出的影响
8.3 通过Cu2+或Cd2+增强MFCs的性能
图7补充了不同金属离子的MFC的性能。 （a）带有（ 1 μg L-1Cu2+或Cd2+ ）或不添加金属离子的MFC的电压输出（带有2000欧姆外部电阻的 MFC）的时程曲线。 （Hale Waihona Puke Baidu）含（1 μg L-1Cu2+或Cd2+）或不添加金属离子的MFC的功率输出和极化电位曲线。
• 电解池(Electrolytic cell)：将电能转化为化学自由能。
2.燃料电池和微生物燃料电池的机理
燃料电池：
• 燃料电池由阳极室和阴极室组，由 允许质子流动并限制电子流动的电 解质隔开
• 氢气和氧气被输入到电池中 • 阳极上的催化剂使得氢原子释放电
子，产生H+ • 氧原子在阴极吸引H+ • H+通过电解质膜 • 电子通过外部导线到达阴极，从而
c) MFC的损失
• Ohmic（电阻）损失 • 活化损失（由于气体（或其他非试剂）在电极和电解质之间的界
面集聚） • 细胞代谢损失 • 浓度损失（由于电解质中试剂消耗不均匀，导致边界层浓度梯度） • 跨膜转移损失 • 阴极和阳极室的pH值差异造成的电压损失
7. MFC的一些改进措施
• 优化反应器配置 • 电极构造 • 添加氧化还原活性的电子供体 • 生物膜适应性（微生物细胞的化学修饰、外生电子的基因调
直接转移：
整个细胞移动
图3：电化学活性氧化还原蛋白（例如细胞色素）或导电纳米线（菌毛） 存在于其外膜上，可以将电子直接转移到阳极
质子H+的转移机理
图4 H+跳跃机制
4. 设计MFC
阳极 阴极 质子交换系统 电极催化剂
材料 石墨、石墨毡、碳纸、碳布、Pt、网状 玻璃体碳（RVC） 石墨、石墨毡、碳纸、碳布、Pt、RVC
产生电流
阳极：H2 阴极：O2 + H+ + e-
催化剂 催化剂
H+ + eH2O
微生物燃料电池：
阳极：CXHYOZ + H2O
催化剂
H+ + e- + CO2
催化剂 阴极：O2 + 4H+ + 4e-
2H2O
3. MFC中电子和氢气的转移机理
间接转移：
图1：通过外部添加的 （外部）介体
图2：通过自我产生 的（内源性）介体
8.4 通过添加Cu2 +和Cd2 +增加核黄素的产生
图8 （a）添加（ 1 μg L-1Cu2+或Cd2+ ）或不添加（对照）金属离子的MFC的 循环伏安图（CV）。 “ j1”和“ j2”分别表示相应CV曲线的催化电流。 （b）通过HPLC分析在添加（ 1 μg L-1Cu2+或Cd2+ ）或不添加（对照）金属 离子的MFC中核黄素的浓度。
微量重金属离子促进希瓦氏菌在微生物燃料电池中的细胞外电子转 移和发电
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
控或遗传修饰、生物合成）和饲料营养调整 • 其他有助于增强MFC性能的措施
8. 相关文献
Trace heavy metal ions promoted extracellular electron transfer and power generation by Shewanella in microbial fuel cells
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。