微生物燃料电池 ppt课件
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微生物燃料电池 ppt课件
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
4
未来研究趋势及展望
5
基础研究案例分析
LOGO MFC的基本原理
e-
e-
负载
CO2
e-
有机物H+ 微生物
O2
e-
H2O H+
阳极室
PEM
阴极室
图1.微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell
果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。
LOGO 微生物燃料电池的组成
2.对材料的改性 • 碳布进行了氨基修饰后，由于氨基基团的存在，材料本体上的表面电
荷得到了显著增加，微生物与电极表面间的静电作用得到了显著增强， 同时氨基与微生物表面的羧基形成肽键，增强它们之间的相互作用。 • 电化学氧化修饰法主要是通过在酸性溶液中的电解，增加电极表面的 羧基基团。虽然微生物表面净电荷为负电，电极表面羧基的增加会增 大静电排斥力，但是由于微生物表面存在着大量细胞色素，其上含有 许多活性基团，羧基可以与细胞色素上的活性基团形成强烈的氢键等 化学键作用，增强了微生物与电极之间的化学相互作用。
2 17
微生物燃料电池（MFC）
汇报人：xxx
日期：2017.12.20
概念
MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作 用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等) ，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微 生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温 常压下进行能量转换。
微生物燃料电池课件共29页
surface area of the salt bridge 盐桥表面积实验
❖ When the surface area of the salt bridge in contact with anode and cathode chambers was increased from 0.4 to 15.9 cm2,an almost proportionate increase in the maximum power generation was observed. 盐桥表面积从0.4增加到15.9cm2时，最大功率增加。
❖ 这两种技术的融合，可能是未来微机械和 微型燃料电池的一个具有发展前途的方向。 例如微型的自维持型医疗器械.
2 .处理污水的微生物燃料电池
❖ 最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家Logan率领的一个 研发小组宣布他们研制出一种新型的微生物燃料电池。可以 把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
❖ 在发电能力方面，据洛根称在实验室里该设备能提供的电功 率可以驱动一台小电风扇。虽然目前产生的电流不大，但该 设备改进的空间很大。洛根的研发小组已经把该燃料电池的 发电能力提高到了350W 洛根希望这一数值最终能达到 500W～1000W.
❖ 浓度为0.03mM时，最 大电流为56.7uA；最大 功率为19.2uW.
❖ 对应的功率密度和电流 密度为9.33mW/m2 和 27.59mA/m2 .
（见下图和表）
离子强度实验
❖ 然后用0.03mM的MB做下一步的实验。
❖ Similarly, maximum power was observed when 10mM NaCl concentration was used.
❖ 菌种：Enterobacter cloacae strain IIT-BT 08
微生物电池的原理与应用ppt课件
贵金属Pt
过渡金属大环化合物
金属氧化物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
填料式MFCs
管状ACMFCs 在构型上和操作方式上与污水处理设 备中的生物滤池颇为相似; 填料型MFCs类似于流化床 反应器。
• 1970，生物燃料电池概念确定； • 1980后，生物燃料电池输出功率有较大提
高 • 2002，bond发现特殊微生物地杆菌； • 2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比
利时willy教授在MFC上做了大量研究。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 微生物传感器的发展，广泛 工作的MFC使用的原则制定新的生化需氧量传感器在于：①电池产生的电流 或充电之间的污染物浓度呈良好的线性关系;②电池的电流对污水响应速度更 快;③有较好的重复性。
• 作为一个新的水处理工艺 目前，由于燃料有机废水，有机物质循环中的化学能的污水一直是MFC的这 项研究的主要目的，但在研究中，污水处理后的MFC的水质监测结果，以便 为新的污水处理技术开发的研究人员到MFC基本工作原理产生了浓厚的兴趣。 优点：1）可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向；2）为处理污水， 将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。
• 在应用程序开发的前景与微生物燃料电池方面：①替代能源;②传感 器;③污水处理新技术;④利用微生物燃料电池的特殊环境未培养细菌 的富集。
• 替代能源，生物质能 因为MFC将能转化为电能的生物量直接转化 ，机器人、汽车、医疗
25页知识科普微生物燃料电池能源转换效率研究报告PPT课件
PART 03
电极界面特性的优化
电极界面特性的优化可以提高电 子传递效率 界面特性包括电极的表面粗糙度 和孔隙结构 优化电极界面特性有助于提高微 生物燃料电池的性能
微生物的选型与改造
高产电性能微生物的筛选
通过人工选择和基因编辑技术，筛选出产电性能高的 微生物菌种。 应用CRISPR- Cas9等技术对微生物进行基因改造，增 强其产电能力。 研究微生物的代谢机制，以开发新的微生物选型策略。
微生物的培养与接种策略
微生物的培养条件影响其性能 接种策略对微生物燃料电池的启动有重要作用 微生物的活性和数量对能源转换效率有直接影响
操作条件的影响
底物种类与浓度的影响
不同底物对产电性能有显著影响 底物浓度变化直接影响微生物的代谢活动 底物浓度的优化可以显著提高能源转换效
率
微生物燃料电池的运行模式
Part 04
微生物的生物电现象
微生物的生物电现象是指微生物在代谢过程 中产生的电信号。 生物电现象的研究有助于理解微生物燃料电 池中电能的产生和转换过程。 利用微生物的生物电现象可以进一步提高微 生物燃料电池的能源转换效率。
微生物种类与特性
不同微生物的产电性能比较
产电能力因微生物种类而异 不同微生物对底物的适应性不同 微生物的代谢活性影响产电效率
异养微生物利用有机物质作为能量来源，在代谢过程中产电。 自养微生物可以通过氧化还原反应在光合作用过程中产电。 微生物代谢类型的选择会影响微生物燃料电池的性能和稳定性。
微生物的代谢产物
微生物代谢过程中产生的中间产物可作为能源利用。
03
代谢产物的种类和量取决于微生物种类和底物类型。
代谢产物的控制和优化有助于提高微生物燃料电池的能源转换效率。
绿色能源创造者微生物燃料电池幻灯片
不明显，但是电阻变化了的，算出来的功率密度是改变的。
微生物燃料电池在开场进展操作前，是否需要将阳极放置含菌的阳极液 中 培养一段时间再进展测量？
是的，需要细菌驯化。电压稳定后，两三个循环之后就可以测试了。驯化一 般需要一个月左右。
双室微生物燃料电池在启动过程中，阳极会产生好多气体，压力上升，交换 膜也被压力压变形了，怎么办？
生物Rhodoferaxferrireducens、Geobactermetallireducens和 Geobactersulfereducens在分解有机底物(海底沉积物、葡萄糖、废糖 蜜)进展自身代谢过程中,易在固体外表吸附成膜,无需介体可直接将电子传 递到电池的阳极。能量转换为电能的效率大于70%,电流密度为 30mA/m2,电池输出功率密度到达3W/m2(0.2V)。
无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究.rar 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是一种可以将废水中有机物
所蕴含的能量进展回收利用的新型可再生能源装置。它利用阳极室内的 产电微生物将废水中的有机物降解并用于产电,从而到达污水处理与产电 相结合的目的。微生物燃料电池在处理废水的同时回收了能源,可较大程 度降低污水处理的运行本钱
通过3步形成了生物膜的动力学、一维、多样性模型，之后再通过电子供体 浓度和电位研究了生物膜的双限性，从而进一步完善了该模型。
直接微生物燃料电池的构建及初步研究.pdf 利用Geobacter metallireducens 能够以Fe(OH)3 固体作电子受体进展呼
吸的特性，用其构建直接微生物燃料电池，初步考察了产电情况和产电 原理. 实验证明，Geobacter metallireducens 直接微生物燃料电池的电 能产出主要依赖于吸附在电极上的细菌. 燃料醋酸钠可以完全氧化至CO2 ，反响完毕后其浓度低于检测下限(<10 μmol/L). 电子回收率达80%， 电流密度达704.4 mA/m2.
微生物燃料电池在开场进展操作前，是否需要将阳极放置含菌的阳极液 中 培养一段时间再进展测量？
是的，需要细菌驯化。电压稳定后，两三个循环之后就可以测试了。驯化一 般需要一个月左右。
双室微生物燃料电池在启动过程中，阳极会产生好多气体，压力上升，交换 膜也被压力压变形了，怎么办？
生物Rhodoferaxferrireducens、Geobactermetallireducens和 Geobactersulfereducens在分解有机底物(海底沉积物、葡萄糖、废糖 蜜)进展自身代谢过程中,易在固体外表吸附成膜,无需介体可直接将电子传 递到电池的阳极。能量转换为电能的效率大于70%,电流密度为 30mA/m2,电池输出功率密度到达3W/m2(0.2V)。
无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究.rar 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是一种可以将废水中有机物
所蕴含的能量进展回收利用的新型可再生能源装置。它利用阳极室内的 产电微生物将废水中的有机物降解并用于产电,从而到达污水处理与产电 相结合的目的。微生物燃料电池在处理废水的同时回收了能源,可较大程 度降低污水处理的运行本钱
通过3步形成了生物膜的动力学、一维、多样性模型，之后再通过电子供体 浓度和电位研究了生物膜的双限性，从而进一步完善了该模型。
直接微生物燃料电池的构建及初步研究.pdf 利用Geobacter metallireducens 能够以Fe(OH)3 固体作电子受体进展呼
吸的特性，用其构建直接微生物燃料电池，初步考察了产电情况和产电 原理. 实验证明，Geobacter metallireducens 直接微生物燃料电池的电 能产出主要依赖于吸附在电极上的细菌. 燃料醋酸钠可以完全氧化至CO2 ，反响完毕后其浓度低于检测下限(<10 μmol/L). 电子回收率达80%， 电流密度达704.4 mA/m2.
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2 17
微生物燃料电池（MFC）
汇报人：xxx
日期：2017.12.20
概念
MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作 用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等) ，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微 生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温 常压下进行能量转换。
nCO2＋ 2H2O
LOGO MFC的基本原理
LOGO 微生物燃料电池的分类
LOGO 微生物燃料电池的分类
根据营养类型
异养 异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；
光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌)利用光能 光能异养 和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；
沉积物型 沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差 产生电能。
LOGO 微生物燃料电池的分类
介体微生物燃料电池
微生物细胞膜含有肽键或 类聚糖等不导电物质，对电子 传递造成很大阻力，需要借助 介体将电子从呼吸链及内部代 谢物中转移到阳极。
在微生物燃料电池中加入 适当的介体，会显著改善电子 的转移速率。
介体应该具备的特性
• 介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞 内部的还原组分；
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
பைடு நூலகம்
4
未来研究趋势及展望
5
基础研究案例分析
LOGO MFC的基本原理
e-
e-
负载
CO2
e-
有机物H+ 微生物
O2
e-
H2O H+
阳极室
PEM
阴极室
图1.微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell
LOGO 微生物燃料电池的分类
依据微生物燃料电池的外型分类 双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，膜材料， 阴阳极板材料等)。 单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴 阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低， 只有30％。
5
基础研究案例分析
LOGO 研究背景
目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续
发展的两大根本性问题。
大气污染：酸雨，光化学烟 雾，温室效应等
化石燃料的的使用
土壤污染：重金属沉积等
水环境污染：含矿废水
因此，寻求可再生的新能源已引起广泛的关注，微生物燃料电池是一种可以实现 能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下微生物燃料电池作为一种可利用有机废 物产能的装置正走向世界能源的舞台。
LOGO 发展现状
2002 年后
1991 年 20 世纪 80
年代末期
1910年
人们发现一些细菌可以直接将电 子传递给固体导体，如阳极，由 此提出了无需外加电子传递介体 的微生物燃料电池，使微生物燃 料电池的研究又进一步有了突飞 猛进地发展。 近几年, MFC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。
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧 化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳 极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路 产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极， 与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所 示：
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O 4ne-＋4nH+ 阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
• SMFC：沉积物微生物燃料电池 • MEC(Microbial Electrolysis Cell):生物 电 解 池 • PEM(Proton Exchange Membrane):质子交换膜
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
4
未来研究趋势及展望
LOGO 发展现状
2002 年后
1991 年
开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的 范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污
20 世纪 80 年代末期
水得到的电池功率才有所增强；
采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；
1910年
英国植物学家马克·比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的 培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研 究的序幕；
LOGO 微生物燃料电池的组成
LOGO 微生物燃料电池的组成
组成成分
阳极 阴极 阳极室 阴极室 质子交换膜 电极催化剂
原料
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳
玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃
玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃
质子交换膜、盐桥、玻璃 珠、玻璃纤维和碳纸
铂、铂黑、聚苯胺、固定 在阳极上的电子介体
LOGO 微生物燃料电池的组成
其电子直接从微生物 细胞膜传递到电极， 呼吸链中细胞色素是 实际电子载体；提高 电池功率，关键在于 提高细胞膜与电极材 料的接触效率。 A细胞膜
指微生物燃料电池中 的细菌能分泌细胞色素、 醌类等电子传递体，可将 电子由细胞膜内转移到电 极上。
可使用微生物
目前发现的这类细菌有腐败希 瓦菌(Shewaulella putrefaciens)、 地杆菌(Geobacteraceae），酸梭 菌(Clostridium butyricum)及 (Rhodoferax Ferrireducens)、粪产 碱菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠 球菌(Enterococcusgallinamm)和铜 绿假单胞菌 (PseudomonaSaemginosa)等。
• 其氧化还原式量电位要与被催化体系的 电位匹配；
• 其氧化态不干扰其它的代谢过程； • 其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； • 其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，
并且在细胞和电极表面均不发生吸附； • 其在电极上的氧化还原反应速率非常快、
且有很好的可逆性。
LOGO 微生物燃料电池的分类
无介体微生物燃料电池
标注
必需 必需 必需 非必需 必需 非必需
LOGO 微生物燃料电池的组成
阳极材料
一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨 等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。
LOGO 微生物燃料电池的组成
阳极研究进展
阳 极 产 电 机 制
微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图: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
微生物燃料电池（MFC）
汇报人：xxx
日期：2017.12.20
概念
MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作 用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等) ，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微 生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温 常压下进行能量转换。
nCO2＋ 2H2O
LOGO MFC的基本原理
LOGO 微生物燃料电池的分类
LOGO 微生物燃料电池的分类
根据营养类型
异养 异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；
光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌)利用光能 光能异养 和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；
沉积物型 沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差 产生电能。
LOGO 微生物燃料电池的分类
介体微生物燃料电池
微生物细胞膜含有肽键或 类聚糖等不导电物质，对电子 传递造成很大阻力，需要借助 介体将电子从呼吸链及内部代 谢物中转移到阳极。
在微生物燃料电池中加入 适当的介体，会显著改善电子 的转移速率。
介体应该具备的特性
• 介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞 内部的还原组分；
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
பைடு நூலகம்
4
未来研究趋势及展望
5
基础研究案例分析
LOGO MFC的基本原理
e-
e-
负载
CO2
e-
有机物H+ 微生物
O2
e-
H2O H+
阳极室
PEM
阴极室
图1.微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell
LOGO 微生物燃料电池的分类
依据微生物燃料电池的外型分类 双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，膜材料， 阴阳极板材料等)。 单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴 阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低， 只有30％。
5
基础研究案例分析
LOGO 研究背景
目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续
发展的两大根本性问题。
大气污染：酸雨，光化学烟 雾，温室效应等
化石燃料的的使用
土壤污染：重金属沉积等
水环境污染：含矿废水
因此，寻求可再生的新能源已引起广泛的关注，微生物燃料电池是一种可以实现 能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下微生物燃料电池作为一种可利用有机废 物产能的装置正走向世界能源的舞台。
LOGO 发展现状
2002 年后
1991 年 20 世纪 80
年代末期
1910年
人们发现一些细菌可以直接将电 子传递给固体导体，如阳极，由 此提出了无需外加电子传递介体 的微生物燃料电池，使微生物燃 料电池的研究又进一步有了突飞 猛进地发展。 近几年, MFC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。
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧 化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳 极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路 产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极， 与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所 示：
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O 4ne-＋4nH+ 阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
• SMFC：沉积物微生物燃料电池 • MEC(Microbial Electrolysis Cell):生物 电 解 池 • PEM(Proton Exchange Membrane):质子交换膜
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
4
未来研究趋势及展望
LOGO 发展现状
2002 年后
1991 年
开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的 范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污
20 世纪 80 年代末期
水得到的电池功率才有所增强；
采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；
1910年
英国植物学家马克·比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的 培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研 究的序幕；
LOGO 微生物燃料电池的组成
LOGO 微生物燃料电池的组成
组成成分
阳极 阴极 阳极室 阴极室 质子交换膜 电极催化剂
原料
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳
玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃
玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃
质子交换膜、盐桥、玻璃 珠、玻璃纤维和碳纸
铂、铂黑、聚苯胺、固定 在阳极上的电子介体
LOGO 微生物燃料电池的组成
其电子直接从微生物 细胞膜传递到电极， 呼吸链中细胞色素是 实际电子载体；提高 电池功率，关键在于 提高细胞膜与电极材 料的接触效率。 A细胞膜
指微生物燃料电池中 的细菌能分泌细胞色素、 醌类等电子传递体，可将 电子由细胞膜内转移到电 极上。
可使用微生物
目前发现的这类细菌有腐败希 瓦菌(Shewaulella putrefaciens)、 地杆菌(Geobacteraceae），酸梭 菌(Clostridium butyricum)及 (Rhodoferax Ferrireducens)、粪产 碱菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠 球菌(Enterococcusgallinamm)和铜 绿假单胞菌 (PseudomonaSaemginosa)等。
• 其氧化还原式量电位要与被催化体系的 电位匹配；
• 其氧化态不干扰其它的代谢过程； • 其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； • 其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，
并且在细胞和电极表面均不发生吸附； • 其在电极上的氧化还原反应速率非常快、
且有很好的可逆性。
LOGO 微生物燃料电池的分类
无介体微生物燃料电池
标注
必需 必需 必需 非必需 必需 非必需
LOGO 微生物燃料电池的组成
阳极材料
一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨 等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。
LOGO 微生物燃料电池的组成
阳极研究进展
阳 极 产 电 机 制
微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图: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