微生物燃料电池

微生物燃料电池12级新能源材料，程妮，学号106微生物燃料电池(microbialfuelcells，MFCs)是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，是一种生物反应器。自1911年英国植物学家Potter发现微生物可以产生电流开始，有关MFCs的研究一直在进行，但进展缓慢。直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极，MFCs的研究获得了突破性进展。目前，MFCs研究的主要内容是无介体MFCs产电性能的改善，体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。一、原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物(例如，葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等)，产生电子和质子。产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。如图所示为MFCs的工作原理示意图。典型反应如下：阳极：C6H1206+6H20一6C02+24H++24e-阴极：602+24H++24e-一一12H20二、微生物燃料电池的结构微生物燃料电池主要有三种结构类型，即单室结构、双室结构和填料式结构。［1］(一)、单室结构的MFCs单室MFCs通常直接以空气中的氧气作为氧化剂，无需曝气，因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。单室的功率密度为480～492mW／m2，单室MFCs无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。但是单室MFCs的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10％，而双室则为42％～61％)。(二)、双室结构的MFCs典型的双室MFCs包括阳极室和阴极室，中间由PEM或盐桥连接。双室的功率密度为38～42mW／m2。MFCs从外形上又分为平板型和管型。以厌氧污泥为活性微生物，以葡萄糖为底物，以颗粒石墨为阳极的管状ACMFCs，其最大功率密度达到50．2W／m2。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。(三)、填料式MFCs填料型MFCs类似于流化床反应器，可以实现大规模污水处理与MFCs的结合。填充式结构极大地增大了微生物和电极的接触面积，促进了电子传输，内阻仅为27Q。三、MFCs的分类根据分类标准的不同，MFCs的分类方法有所不同。(一)、根据不同类型的微生物，MFCs可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。(二)、依据电池中电子不同的传输方式，MFC可分为介体MFC和无介体MFC。(三)、根据电子不同的传递方式可将其分为间接MFC（加入氧化还原介质)和直接MFC(无氧化还原介质)［2］。(四)、两室之间有无交换膜可将其划分为有膜型和无膜型［3］。四、NFC的特点(一)、原料较广泛：各种有机物，微生物的呼吸可以利用的代谢产物、光合作用的产物，甚至是污水都可以作为其燃料。(二)、工作条件比较温和：其利用微生物作为电池的催化剂，一般对操作条件的选择比较温和，微生物生长的环境一般为中性，在室温和常压的条件下，微生物可以稳定生长。(三)、较好的生物相容性：由于MFC可以利用糖类和氧气作为燃料，因此，可以把小型化的MFC植入人体，从而为人在器官的运行提供能量支持。(四)、无污染、无能量输入、高效的能量利用率。五、微生物燃料电池的电极材料微生物燃料电池材料包括阳极材料、交换膜和阴极材料。(一）、阳极材料研究的主要目的是提高电极的比表面积、催化活性及电子的转换效率。微生物燃料电池的阳极材料一般为石墨、碳纸和碳布[4]。Chauddhuri等[5]分别研究了以石墨棒、石墨毡、石墨泡沫作电极的MFC性能，对电流密度的变化进行了对比，研究发现在双室MFC中增加几何面积能提高电流的产出，同时发现石墨毡产生的电流是石墨棒的3倍以上，主要是因为两者的表面积不同，导致产生的电流不同。若以电流密度(即单位面积产生的电流)来评价，两种材料的效果几乎一致，在最近的研究中，He［6］等对网状玻璃碳电极进行了研究，发现网状玻璃碳电极的导电性非常好，可达200S·cm-1，孔隙率可达97％，但这种材料十分脆。另外，通过非金属处理和修饰阳极，可以提高电池功率。Park[7]等将中性红添加到石墨织物电极中，产电菌为Shewanellaputrefaclans，底物为乙酸盐，可将功率密度由O．02mW·m-2提高到9．1mW·m-2。一些多孔材料、贵金属材料及导电高分子材料电极也被应用于微生物燃料电池中。（二）、微生物燃料电池中常用的交换膜有阳离子交换膜和阴离子交换膜。交换膜可用于分隔阳极室和阴极室中的液体，并且阻止阴极室的氧气传递至阳极室，从而提高库仑效率，但交换膜的使用也提高了微生物燃料电池的成本，增大了微生物燃料电池的内阻，且交换膜易被污染和堵塞。因此，在研究如何降低交换膜成本，提高交换膜性能的同时，开发无交换膜微生物燃料电池也是一个重要的研究方向。（三）、所有用做阳极的材料均可用做阴极。为了提高催化效率，阴极材料往往还需要负载铂等催化剂。最近，利用细菌催化阴极的还原反应成为微生物燃料电池的一个新的研究方向。六、应用根据用途不同，微生物燃料电池可以分为废水处理微生物燃料电池、环境修复微生物燃料电池、沉积物微生物燃料电池、产氢微生物燃料电池等。目前，国内外关于微生物燃料电池的研究尚处于起步阶段，较低输出功MFC的应用领域。(一)、有机废水发电与同步处理：与一般的化学燃料电池不同，因为微生物的代谢产物中含有各种酶，能够有效的催化和降解有机物，所以MFC的一个独特优势是能够在获得电能的同时降解有机污染物。(二)、产氢：Liu[8]等人率先设计出了一种能够在阴极室产出氢气的MFC。产氢MFC在结构上和经典双室MFC几乎相同，只是将阴极的电子受体氧气换成了质子。阴极表面的质子和电子在铂等催化剂的催化下可直接生成氢气。(三)、生物传感器：MFC潜在的应用是对有机污染物浓度的在线监控[9]。能被微生物降解的有机物在MFC阳极室中的转化率或者电池电压和有机物浓度在一定的浓度范围内成线性相关。因此，可以根据测定的电信号推算出有机物的浓度，在有机废水处理中能够实现生化需氧量(BOD)的在线监测。(四)、特殊环境中的电源：产电细菌遍布自然界，容易筛选出，而且微生物在产电时同样具有良好的生物兼容性。因此，MFC可以为一些特殊的环境下的设备提供电能。MFC还可以为偏远地区的无线数据传输提供电源，或对太空站中废物循环利用等方面也有发展前景。此外，MFC还可为人体植入装置如心脏起搏器等提供电源。七、展望微生物燃料电池是多学科交叉研究的产物。随着相关学科的发展和融合，微生物燃料电池面临新的发展机遇和挑战。主要研究包括：①电极的改进。制备纳米结构三维电极材料，使之具备高比表面及优良的导电性能、催化性能和生物相容性，从而提高微生物燃料电池的输出功率。②交换膜的改进。进一步开发底物和气体渗透性低、内阻小、成本低的新型离子交换膜。③微生物燃料电池构型的改进。进一步优化微生物燃料电池反应器的结构，降低微生物燃料电池内阻和造价，提高微生物燃料电池输出功率、库仑效率及COD去除率，并最终放大应用于实际。④产电微生物的研究。深入研究电子从胞内传递到胞外和微生物种群之间电子传递的机理、微生物和电极相互作用、微生物种群之间相互作用及微生物电化学进化的机理。⑤混合菌微生物燃料电池的研究。未来不仅要从自然界高效快速筛选高活性产电微生物，同时还要发挥高活性产电菌种群之间的协同作用，采用混合菌微生物燃料电池，提高微生物燃料电池的产电效率，并研究其中微生物群落和代谢途径的变化。⑥分子水平上的研究。从基因水平上对菌种进行改造，使益于产电的基因或蛋白过表达，同时抑制阻碍产电的基因或蛋白表达，从而构建新一代基因工程产电菌微生物燃料电池。总之，在环境和能源备受关注的今天，开发清洁、可再生新能源已成为世界各国政府的国家战略。微生物燃料电池作为一种新型绿色能源，必将受到越来越多的关注。参考文献［1］翟秀静，刘奎仁，韩庆编著,新能源技术,化学工业出版社,2010.02,第214页［2］康峰，伍艳辉，李伶茗.生物燃料电池研究进展.电源技术，2004.28(11):723一727.［3］Jang,JK,Chang1S,KangK11,etal.Constructionandoperationofanovelmediator-andmembrane-lessmicrobialfuelcell［J］ProcessBiochemistry,2004,39}8):1007一1012［4］向龙，王晓慧，微生物燃料电池阳极材料的修饰研究进展，北京化工大学，现代化工，2015,1第35卷第1期[5]ChauddhuriSK．LovleyDRElectricitygenerationbydirectoxidationofglucoseinmediatorlessmicrobialfuelcells[J]．NatureBiotechnology，2003，21(10)：1229—1232．[6]HeZ，MinteerSD，AngenentLT．Electricitygenerationfromartificialwastewaterusinganupflowmicrobialfuelcell[J]．EnvironmentalScienceandTechnology，2005，39(14)：5262—5267．[s][7]ParkDH，ZeikusJG．Impactofelectrodecompositiononelectricitygenerationinflsingle-copartmentfuelcellusingShewanellaputrefacians[J]．AppliedMicrobiologyandBiotechnologY，2002，59：58-61．[8]LiuH，GrotS，LoganBE．E1ectrochemicallyassistedmicrobialproductionofhydrogenfromacetate[J]．Environmentalscience＆technology2005，39(11)：4317—4320．][9]KimBH，ChangIS，Gi1GC。eta1．NovelBOD(biologicaloxygendemand)sensorusingmediator—lessmicrobialfuelcel1[J]．Biotechn0109yletters，2003，25(7)：541—545．