生物质燃料电池

杨航锋化学工程2111506055生物质燃料电池按燃料电池的原理，利用生物质能的装置。可分为间接型燃料电池和直接型燃料电池。在间接型燃料电池中，由水的厌氧酵解或光解作用产生氢等电活性成分，然后在通常的氢－氧燃料电池的阳极上被氧化。在直接型燃料电池中，有一种氧化还原蛋白质作为电子由基质直接转移到电极的中间物。如利用N，N，N'，N'－四甲基－P－苯氨基二胺作为介质，由甲醇脱氢酶和甲酸脱氢酶所催化的甲醇的完全氧化作用，可用来产生电流。生物燃料电池尚处于试验阶段，已可提供稳定的电流，但工业化应用尚未成熟。燃料电池（fuelcell）：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。生物燃料电池（biofuelcell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。生物燃料电池可以分为直接使用酶的酶燃料电池和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池生物燃料电池能量转化效率高怛一、生物相容性好、原料来源广泛、可以用多种天然有机物作为燃料，是一种真正意义上的绿色电池。它在医疗、航天、环境治理等领域均有重要的使用价值，如糖尿病、帕金森氏病的检测、辅助治疗b’4o以及生活垃圾、农作物废物、工业废液的处理等。同时生物原料贮量巨大、无污染、可再生，因此生物燃料电池产生的电能也是一个潜力极大的能量来源。它可以直接将动物和植物体内贮存的化学能转化为能够利用的电能。近年来随着对可再生能源和人体医疗技术发展的要求，生物燃料电池逐渐引起更广泛的关注。1.酶生物燃料电池在酶燃料电池中，酶可以与介体一起溶解在底物(燃料)中，也可以固定在电极上。后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。在早期的生物燃料电池系统中，更多地用气体扩散电极与酶阳极或阴极相匹配M’70，用两种不同酶电极的酶燃料电池较少。近年来，随着修饰酶电极技术的发展，大多数酶燃料电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外，使用固定酶电极的酶燃料电池为了防止两电极间电极反应物与产物的相互干扰，一般将正、负电极用质子交换膜分隔为阴极区和阳极区，即两极室酶燃料电池，这与传统电池阴极／隔膜，阳极的结构相仿。1999年出现的无隔膜酶燃料电池，取消了隔膜、电池外壳和相应的密封结构，可更方便地制备微型、高比能量的酶生物燃料电池。2.微生物燃料电池微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，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。根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。2.1微生物燃料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。3.YulinDeng教授的研究直接利用生物质发电时一项充满挑战但非常具有应用前景的工作。其中最大的问题就是分解氧化C–C键，即使是贵金属催化剂也很难实现直接将C-C键氧化成CO2的直接转化。例如，使用贵金属催化剂也很难将很小的乙醇等通过2电子过程氧化成乙醛或者通过4电子过程氧化成乙酸。相比12电子全部氧化成CO2的过程,它们的转化效率只有16.7和33.3%。而对于大分子的生物质而言，其实现起来更加困难。目前能够实现生物质直接转化的技术主要有高温固体氧化物燃料电池和微生物燃料电池。而这些技术在现实中也面临很多问题，如催化剂毒化，转化效率低，功率密度低等一系列问题。邓教授课题组通过对传统燃料电池系统进行理念上的创新，在低温下实现了生物质高效发电。在新系统中，生物质原料被磨碎后与一种多金属氧酸盐（POM）催化物溶液相混合，之后被置于阳光或热辐射下。作为一种光化学和热化学催化剂，POM既是氧化剂也是电荷载体。在光辐射或热辐射下，POM会使生物质发生氧化，将生物质的电荷运送到燃料电池的阳极，而电子则会被输送到阴极，在阴极进行氧化反应，通过外电路产生电流。邓玉林表示，如果只是在室温中将生物质和催化剂混合，它们将不会发生反应。但一旦将其暴露在光或热中，反应就会马上开始。实验显示，这种燃料电池的运行时间长达20小时，这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦，比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍，接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓教授认为，在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间，未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。而他们最近的工作又将性能提高到了100mW/cm2,接近于传统的直接醇燃料电池。Yulin教授研究的燃料电池属于间接生物燃料电池，以多金属氧酸盐POM为催化剂，在电解液中反应，电子由具有氧化还原活性的POM再运载到电极中区，形成电子的流动。总结生物燃料电池作为一种新能源的实际应用还比较遥远,主要是因为它的输出功率密度远不能满足要求.按照Marcus和Sotin提出的理论,电子传递速率是由电势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定的[29],决定生物燃料电池输出功率密度的主要因素是相关的电子传递过程,也就是说,生物体系缓慢的电子传递速率是生物燃料电池发展的瓶颈.理论和实验都表明,随着电子传递途径距离的增加,电子传递速率呈指数下降的趋势.酶分子蛋白质的外壳对从活性中心到电极的直接电子传递产生了屏蔽作用,引入介体一定程度上可提供有效的电子传递通道.然而,有时这样做无形之中又增大了电子传递的途径距离,其总体的效果还不令人满意.因而最理想的是通过借鉴生物电化学领域的直接电子传递的研究成果,在生物燃料电池中实现直接的电子传递,从而提高输出功率.目前,实现直接的电子传递主要有以下几种随着生物和化学学科交叉研究的深入,特别是依托生物传感器和生物电化学的研究进展,以及对修饰电极、纳米科学等研究的层层深入,生物燃料电池研究必然会得到更快的发展.作者深信,生物燃料电池作为一种绿色环保的新能源,在生物医学等各个领域的应用的理想必然会实现。