生物电池

微生物燃料电池的研究方向
• • • • • • 1、开发无介体生物燃料电池 有一类铁还原性微生物，由于其细胞膜上有丰富的细胞色素，表现出较强的电化学活性， 在生物电池中能直接将电子转移至阳极而不需要借助任何介体。根据研究，Rhodoferax、 ferrireduler和Geobacter- aceae种群的微生物都具有这种功能，它们在电池内发生的反应可 表示为： C6H12O6+6H2O+24Fe→6CO2+24Fe+24H++24e-（铁作为催化剂） 无介体生物燃料电池的优点主要表现为有充足的空间，有利于提高电子转移的效率和速 率。 2、加强对电极的修饰 学者Derek R.Lovely等用石墨毡和石墨制成的泡沫代替碳棒作为电池的阳极，研究发现 电池的电能输出大大增加，约为原来的三倍。说明增大电极的表面积可以增大吸附在电极表 面的微生物和酶的密度，从而增加电量的输出。Zhen He等在微生物燃料电池中用微生物来 修饰阴极，加快了氧气的还原反应速率，极大地提高了电池输出的电流密度。 3、选择合适的质子交换膜 质子交换膜能够有效地维持电池两极室内酸碱度的平衡，保证电池反应的正常进行。 Liu和Logan在电池的设计中取消了质子交换膜，结果发现电池的库仑输出效率由55%降到了 2%;Min et al研究发现如果氧气由阴极室进入阳极室，电池的库仑输出效率会从55%降至 19%这说明质子交换膜的质量好坏关系到微生物燃料电池的性能，选择合适的质子交换膜， 增强质子的穿透性而降低氧气的扩散成为了微生物燃料电池开发中的一个重要环节。 4、开发光化学生物燃料电池 利用光合细菌吸收太阳光，并将其转化成电能的装置称为光化学生物燃料电池。科学家 曾设计出这样的一种电池:用石墨作阳极，阳极室由有项圈藻和可溶性奎宁介体;阴极也为石 墨电极，电解质溶液为铁氰化钾。把这种电池先放在阳光下光照10小时，然后在黑暗的环境 中放置10小时，发现可产生1mA的电流(外电路电阻为500Ω)，只不过光子转化成电子的效率 只有0.2%。后来人们又用Synechococcus细菌来代替项圈藻，发现转化率可提高到3.3%。
微生物电池
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物 将有机物中的化学能直接转化成 电能的装置。其基本工作原理是： 在阳极室厌氧环境下，有机物在 微生物作用下分解并释放出电子 和质子，电子依靠合适的电子传 递介体在生物组分和阳极之间进 行有效传递，并通过外电路传递 到阴极形成电流，而质子通过质 子交换膜传递到阴极，氧化剂(一 般为氧气)在阴极得到电子被还原 与质子结合成水。
生物电池
应用化学 李泽生
一、生物电池的定义：生物电池 （bio-fuel cells），是指将生物质 能直接转化为电能的装置（生物质 蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能， 是绿色植物和光合细菌通过光合作 用转化而来的）。从原理上来讲， 生物质能能够直接转化为电能主要 是因为生物体内存在与能量代谢关 系密切的氧化还原反应。这些氧化 还原反应彼此影响，互相依存，形 成网络，进行生物的能量代谢。
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按生物催化剂的来源不同 1、 微生物电池 微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。 基本反应类型分为四步： 1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。 2) 介体捕获电子并将其运送至阳极。 3) 电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。 4) 氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。 阳极反应：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e 阴极反应：6O2+24H++24e-→12H2O 2、 酶电池 酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下： 葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄 糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在 做过的氧化酶的作用下还原成水。 阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e阴极反应：H2O2+2H++2e-→2H2O 生物电池工作时，是将燃料的化学能转化为容易进行电化学反应的形式。 有如下两种方法： 一是用酶氧化燃料，所得的酶反应生成物再进行电极反应的方式（电子 传递系统不配对的体系） 二是用具有辅酶的酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原的辅 酶再在电极上进行氧化的方式（电子传递系统配结的体系）。 现在普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制 成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。
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微生物燃来自百度文库电池的优势
• 与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料 电池具有操作上和功能上的优势： 首先，它将底物直接 转化为电能，保证了具有高的能量转化效率； 其次，不 同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境 条件下能够有效运作； 第三，微生物燃料电池不需要进 行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳， 一般条件下不具有可再利用的能量； 第四，微生物燃料 电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池 仅需通风就可以被动的补充阴极气体； 第五，在缺乏电 力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的 潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多 样性。
• 微生物燃料电池和酶燃料电池的比较 • parameter 微生物燃料电池 • 催化剂 微生物 • 使用寿命 长 • 氧化能力 完全氧化 • 能量浓度 低 • 成本 高 • 膜表面分离器 需要
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微生物燃料电池的发展及前景
• • 微生物燃料电池 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是一种以产电微生物为阳极催化 剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理和新能源开发领 域具有广阔的应用前景。虽然目前已发现很多产电微生物，如希瓦氏菌、地 杆菌、克雷伯氏杆菌等，但这些菌种均只能在中性条件下产电。理论上，碱 性条件可以抑制甲烷的产生从而有利于电能输出，而且碱性废水是工业废水 的重要组成部分。产电微生物如何将有机物代谢产生的电子传递到电极上一 直以来是MFC研究的一个重要方向，因此，研究碱性条件下的微生物产电机 制对MFC的电能输出与碱性废水的生物处理均有重要意义。 中国科学院成都生物研究所应用与环境微生物中心李大平研究员课题组在 微生物燃料电池的产电机制研究方面取得突破性进展。他们从污染环境中分 离出一株嗜碱性假单胞菌（Pseudomonas alcaliphila），该菌株在碱性条件 下能够分解有机物的同时产生电能，最佳pH为9.5。通过研究发现，该菌株在 MFC体系中代谢有机物的同时产生吩嗪-1-羧酸介体（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），该介体起电子穿梭的作用从而实现电子从有机物到电极的传 递过程。 相关研究成果发表在《生物资源技术》（Bioresource Technology） 上。 （来源：中国科学院成都生物研究所
微生物燃料电池的功率
• • • 使用微生物燃料电池产生的功率大小依赖于生物和电化学这两方面的过程。 底物转化的速率 受到如下因素的影响，包括细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递 的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks— —细菌对于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中 的底物克数），质子转运中的质子跨膜效率，以及MFC的总电势。 阳极的超极化 一般而言，测量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。 影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力 学以及MFC中电子传递和电流的机制。 阴极的超极化 与在阳极观测到的现象相似，阴极也具有显著的电势损失。为了纠正这 一点，一些研究者们使用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血 盐并不是被空气中的氧气完全重氧化的，所以应该认为它是一个电子受体更 甚于作为媒介。如果要达到可持续状态，MFC阴极最好是开放性的阴极。
焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率 • 三个技术难点
• 1：生物燃料电池阳极需要是三维的，这样就有足够的敏感 度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小， 相对反应面积越大，反应速率越快。但孔太小，液态燃料的 传送也就成了一个问题。 • 2：成功的固定化多酶系统是需要可以使燃料完全氧化成二 氧化碳。目前的酶燃料电池的效率是比较低的，只能用单一 的酶和将燃料部分氧化。这和细胞内可以使生物燃料完全氧 化成二氧化碳和水是完全不同的。 • 3：阳极必须支持高效率的电荷转移机制 ，因此了解之间的 相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率 至 关重要。
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酶生物燃料电池
• 酶燃料电池是以有机物为燃料，直接或间 接利用酶作为催化剂的一类特殊的燃料电 池。
生物酶燃料电池的最新研究进展 • 其中一个最重大的进展，就是生物燃料电池的生物阳极和生物 阴极使用了新的技术，用直接电子转移取代了以前的间接电子 转移。直接传递的好处在于使电子直接从催化剂传递到电极， 中间使用传递媒介的这一问题得到解决。无介体酶生物燃料电 池采用导电聚合物作为酶固定材料 • 第二关键是延长固定化酶的活性时间。酶是蛋白质，在缓冲液 当中的寿命时间是八小时到两天，尽管固定在电极表面的酶的 寿命可以延长到7到20天。近来，通过把酶封装在胶束聚合物中， 可以使其活性延长到一年以上，这个胶束为酶提供了合适的PH 还有生物可容性的环境，防止其变性
二、生物电池的分类
• 按反应场所的不同 • 1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还 原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。 • 2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物 质发生氧化还原反应制成的生物电池。 • 3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物 质发生氧化还原反应制成的生物电池。 • 它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体 内”，“于生物体外”以及“与生物体细胞外”。
微生物燃料电池的问题
• 由于技术条件的制约，目前生物燃料电池的研究 利使用还处于不成熟阶段:电池的输出功率小、使 用寿命短。例如美国得克萨斯大学亚当?海勒博士 研制的葡萄生物电池能提供的功率仅为2.4微瓦， 这说明要点燃一个小灯泡需要100万株葡萄，并 且产电能每天都在衰减。即使是最新的技术，索 尼公司开发的新型生物电池，4个立方体(每边边 长3.9公分)串联而成的生物电池，仅产生了 50mW(毫瓦)的电能。相对于同样大小的锂电池或 干电池，生物电池所产生的电能过低。由此导致 生物燃料电池的使用范围非常狭小，远没有达到 全面推广的时期。
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微生物电池的应用与示范 微生物燃料电池的介体 微生物燃料电池的功率 微生物燃料电池的前景及进展 微生物燃料电池的研究方向
微生物燃料电池的介体
• 向微生物燃料电池中添加的介体主要有两种：第一类是人工合成的介 体，主要是一些染料类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。 这些介体必须满足一定的条件： • (1) 能穿透进入微生物的细胞内发生氧化反应； • (2) 非常容易得电子； • (3) 在被还原之前能快速离开微生物细胞； • (4) 在阳极表面有很好的电化学活性； • (5) 稳定性好； • (6) 在阳极电解液中是可溶的； • (7) 对微生物没有毒性； • (8) 不会被微生物代谢掉。 • 第二类是某些微生物自身可以合成介体，如Pseudomonas aeruginosastrainKRP1能够合成绿脓菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物质，它 合成的介体不光自己可以使用，其它的微生物也可以利用它产生的介 体传递电子。
解决方案
• 三维电极构造 为了得到最大能量密度，三维电极需要具有多维和 多向的孔结构多层面既提供了小孔，以支持酶的稳定 和高负荷密度，也提供了大孔以支持液态燃料的传 送 ，多向的结构提供了更大的表面积和通透性 。最 近已经开始探索利用壳聚糖聚合物材料有希望用来控 制维度和方向性。
利用壳聚糖聚合物材料制成的阳极