微生物燃料电池电子转移机理及最新成果分析

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电子转移机理
MFC利用化学电子中介体来构建,从而使大多数细菌甚 至酵母能传递电子。外源中介体包括2,6-蒽醌、二磺酸(AQD S)、硫堇、铁氰化钾、甲基紫精等。 Rabaey等研究发现，一些细菌可自身产生或分泌电子中 介体,如绿脓菌素及由Pseudomonas aeruginosa产生的相关化合 物可以将电子转移到电极。
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MFC的基本原理
MFC工作原理图
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MFC的基本原理
生物燃料电池的工作过程分为几个步骤: 1 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； 2 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； 3 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； 4 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。
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组成： • 阳极区（Anode）
• 阴极区（Cathode）
• 中间用质子交换 膜(proton exchange
membrane, PEM)
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MFC的基本原理
在MFC工作过程中,首先是通过微生物氧化有机底物 产生电子,电子被阳性电极接受后通过电线传递到阴性电极, 微生物在氧化底物过程中产生的质子通过阳离子半透膜从 厌氧槽渗透到好氧槽。最后,在阴性电极上氧气与质子和电 子发生作用生成水。这样,通过源源不断的电子流动产生电 流。
电子转移机理
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MFC的特点

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: (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； (5) 微生物燃料电池还有污泥产率低
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MFC的特点
MFC的特点
表4 MFC处理不同难降解有机废水的COD去除率
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MFC的应用
1 2 3 4 在废水处理中的应用； 沉积物MFC； MFC生物修复技术； 微生物燃料电池产氢。
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MFC的应用
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MFC的应用
沉积物MFC（SMFC）： 指把MFC的阳极插在厌氧底泥中，阴极放在含有溶解氧 的水面上。海水中的高盐度在MFC的两个电极间可提供很好 的离子电导率，而且细菌用来产生电能所需的有机物已经包 含在底泥中了。
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MFC分类
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阳极区电子转移机理
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
阳极区电子转移机理
电子由微生物向阳极传递的机理： 细胞外直接转移电子的细菌。这些胞外产电菌大多集中 于两类异化金属还原菌属Shewanella和Geobacter。 电子由细菌胞内传递至胞外，电子受体细菌通过两种机 制将电子传递到胞外:自身产生的中介体实现电子连移和纳米 导线。
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MFC的应用
生物修复：通常情况下，为了促进有毒污染物的生物 降解，加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸。电极可 以作为电子受体支持微生物呼吸，达到降解污染物的目的。
MFC的应用
MFC产氢
综述
如今,面对能源短缺和环境污染的双重危机,微生物燃料 电池以其独特的性质,显示出极大的研究和应用价值。将 MFCs与污水处理设备结合,是实现污水变废为宝的有效途径, 也是缓解能源危机的方法之一。
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电子转移机理
纳米导线： Gorby等发现Shewanella， Geobacter菌属具有能导 电的菌体表面丝状附属 物,他们将其称为细菌的 纳米导线.
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Bacteria use direct and mediated mechanisms to tran sfer electrons from the cell m embrane to the anode surface. Electrons can be transferred f rom the cell or through a con ductive biofilm using each m ethod. References: Redox pot ential of Shewanella produc ed flavin and a Geobacter (O mcB) outer membrane cytoch rome
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MFC的基本原理
其反应式如下. 阳极反应: C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e阴极反应: 6O2+24H++24e-→12H2O
E0= 0.014 V
（1）
E0= 1.23 V
（2）
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MFC产电微生物 常见的产电微生物：
泥细菌(Geobacter,G.)， 希瓦细菌(Shewanella putrefaciens)，红螺菌(Rhodoferax ferrireducens)
微生物燃料电池研究
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目录
1.微生物燃料电池（MFC）的概念；
2.MFC工作原理； 3.MFC电子转移机理分析； 4.MFC的特点； 5.MFC的应用；
6.综述
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MFC的概念
生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)是以微生物作为催化剂将 碳水化合物中的化学能转化为电能的装置,由阳极区和阴极区组成,中 间用质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)分开。