微生物燃料电池资料 共33页

什么是微生物燃料电池？
Ø MFCs 也可以被简单地定义为通过微生物的厌氧 呼吸过程氧化底物、还原电极并输出电能的生物 电化学系统。
DUT
01 研究背景
微生物燃料电池发展历史
The history of MFCs
.
Research on Microbial Fuel Cells
Ø 1911 年，英国植物学家 Potter 发现微生物的 催化作用可以在燃料电池系统中产生电压[1]，微 生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)技 术的发展就此开始。
接触转移、电子中介体转移和纳米导线转移 3 种。着重介绍纳米导线转移
。
在纳米导线方面，Lovley等认为， 诸如 Desulfovibrio
desulfuricans 等产电微生物的微生物纳米线能更长距离地传导电子，穿
越这种杆菌生物膜的菌丝网让生物膜具有了与广泛应用于电子工业的人造
导电聚合物相媲美的导电性，电子可在其上传导，传导的距离可为细菌体
DUT
2 第
部分
微生物燃料电池基本原理
02 基本原理
Basic Principles
微生物燃料电池是利用微生物作为 反应主体，将燃料（有机物质）的化学 能直接转化为电能的一种装置。其工作 原理与传统的燃料电池存在许多相同之 处。
01
Basic Principles
以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其 阴阳极化学反应式如下：
微生物燃料电池发展历史
The history of MFCs
.
Research on Microbial Fuel Cells
进入 21 世纪之后，随着《降低电极微生物从 海洋废弃物中提取能源》在《科学》杂志的发表， 标志着能直接将电子传递给固体电级受体的微生物 的发现，使得 MFC 迅速成为环保领域研究的新热
阳极反应：
C6H1206+6H2O→C02+24e-+24H+ 阴极反应：
602+24e-+24H+→12H20
02
DUT
02 基本原理
2.1 双室MFCs原理示意图：
e-
负载电阻
e-
e-
氧 O2
化
剂
阴
H+
极
质
还 原
H+ e-
子 交 换
产 物
H20
膜
e-
H+
直接或间接
阳 电子传递 微
氧 化 产
极
Fra Baidu bibliotek
生 物
metallireducens 、 Geopsychrobacter electrodiphilus
Thermincola.sp. 、 Rhodoferax ferrireducens、Lysinibacillus
sphaericus 等。
05
DUT
02 基本原理
2.2 产电微生物及其群落
对于 MFC 阳极微生物的电子转移机制，普遍认可的方式主要有细胞
体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导
线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了
功率密度的高效输出。目前，研究报道无需外加介体的产电微生物主要有
Shewanella putrefacien、Geobacter sulferreducen、Geobacter
Research on Microbial Fuel Cells
微生物燃料电池
制作人：朱亚辉 姚烘烨 杨金鹏 狄伟强 胡灿阳 夏德铭 时间：2019.10.24
DUT
THE MAIN CONTENTS
Research on Microbial Fuel Cells
01
研究背景
03
简单分类
05
发展展望
CO2 物
有机物
03 DUT
02 基本原理
Basic Principles
离子交换膜将阳极室与阴极室相分幵,在每一区域发生着不同的反
应。MFCs的工作过程可分为以下几个步骤:
(1)在阳极室,微生物将底物氧化,这个过程伴随着电子和质子的释放,
同时以细胞膜作为电子的受体;
(2)释放出来的电子进一步从细胞膜转移到电池的阳极匕经由外电
02
基本原理
04
具体应用
DUT
1 第
部分
研究背景
01 研究背景
What’s the MFCs？
.
Research on Microbial Fuel Cells
Ø 简单来说：微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFC）是一种利用微生物（产电菌）将 有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
点。
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01 研究背景
微生物燃料电池发展历史
The history of MFCs
.
Research on Microbial Fuel Cells
Ø 美国宾夕法尼亚州大学氢能源研究中心的 Bruce E.Logana 教授研究 MFC 构型与电极材 料方面的改进，研发出了易于搭建、廉价且高效 的MFC 雏形。
Ø 20 世纪50年代，由于美国航空航天局(NASA) 的推动，微生物燃料电池曾一度成为研究热点。
Ø 2019 年， Kim 等发现：Shewanella putrefaciens可以在无外源电子介体的条件下催
化 MFCs产电，该研究促使 MFCs技术摆脱了依 赖外源电子介体的瓶颈.
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01 研究背景
长的几千倍，这种细菌的蛋白微丝就像真正的金属导线一样，这种作用代
表了生物学领域一个基本的新特性。
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DUT
02 基本原理
2.2 产电微生物及其群落
对于 MFC 中阳极系统的微生物群落结构，有关研究表明 ，利用混合菌种构建 MFC 要优于纯菌构建 MFC 的性能，因 为混合接种的 MFC 中微生物具有高度的生物多样性，这些微 生物随着不同的运行条件的变化而变化，其中产电菌通过产电 过程直接或间接获得能量，从而逐渐成为该体系中的优势微生 物。
路到达MFCs的阴极,最终在阴极上与电子受体(氧化剂)结合;
(3)氧化过程中生成的质子经电池内部的离子交换膜扩散到阴极区,
并与电子受体于阴极表面发生还原反应,氧化物质被还原。从而完成整
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个MFCs的电子产生、传递、流动过程,形成电流。
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02 基本原理
2.2 产电微生物及其群落
无介体微生物是 MFC 研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介
Ø 韩国科学技术研究院水环境修复中心的 Byung Hong Kim 教授和比利时根特大学微生 物生态与技术实验室的Willy Verstraete 等则在 MFC 产电菌和微生态方面做了大量基础研究工 作，以探明 MFC 中电子产生与传递机理及微生 物种群的关系及演变。
Ø 这些研究构成了 MFC技术的基本理论框架 与技术方法。