微生物燃料电池讲义

1微生物燃料电池[1]及其进展小组成员：罗冬平2009072101张志锋2009072117张鹏2009072118杜洋2009072128李雯2009072129[1].关毅,张鑫.微生物燃料电池.化学进展.2007,19(1):74-79.2主要内容微生物燃料电池的概述和历史微生物燃料电池的优点基本工作原理微生物燃料电池的材料微生物燃料电池的应用研究进展与展望3研究背景与意义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。微生物燃料电池微生物燃料电池(MicrobialFuelCell,简称MFC)是以微生物为催化剂，将燃料中的化学能转化为电能的装置。具有发电与废弃物处置的双重功效。微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。①②③④⑥⑤①MFC实物组图②电化学工作站③数据采集系统④恒温培养箱⑤无菌操作台⑥厌氧工作站MFC:5历史1.早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂做电极，把它放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池；2.1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过它的放电率极低；3.1991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处理生活污水得到的电池功率才有所增强；4.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。6微生物燃料电池的特点:①直接将底物的化学能转化为电能，能量利用率高；②原料广泛，理论上任何有机物都可以作为微生物的底物；③微生物燃料电池可以在常温常压下的环境中运行，操作条件温和；④微生物燃料电池主要产生二氧化碳，环保无污染，生物相容性好；⑤微生物燃料电池对于缺少发电设备的地方存在很大的市场潜力，并且可以扩大目前的燃料形式以满足我们的能量需求7MFC的优点:与常规燃料电池相比,MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂,因而具有更多优点:(1)燃料来源广泛,尤其可利用有机废水等废弃物;(2)反应条件温和,常温常压下即可运行;(3)环境友好,所产生的物质主要是CO2和H2O,无酸、碱、重金属等污染物产生,无需对其产物做任何后处理;(4)因能量转化过程无燃烧步骤,故理论转化效率较高。8微生物燃料电池的分类91、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。吸附在脱硫弧菌(Desulfovibrodesulfricans)细胞膜上与碳聚合膜交结的紫精染料，可以调节电子在细菌细胞与电极间的转移。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。10微生物燃料电池的有效电子传递介体，应该具备以下特性：(1)介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内部的还原组分；(2)其氧化还原式量电位要与被催化体系的电位匹配；(3)其氧化态不干扰其它的代谢过程；(4)其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞；(5)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；(6)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。112、无介体微生物燃料电池所谓无介体微生物燃料电池，是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。目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌(Shewaulellaputrefaciens)、地杆菌(Geobacteraceae），酸梭菌(Clostridiumbutyricum)及(RhodoferaxFerrireducens)、粪产碱菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠球菌(Enterococcusgallinamm)和铜绿假单胞菌(PseudomonaSaemginosa)等。12Thanksyour!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＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+阴极反应：4e-＋O2＋4H+2H2OMFC的基本工作原理：PEM负载阳极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物微生物图1.微生物燃料电池工作原理Fig.1Theworkingprincipleofamicrobialfuelcell1415Thanksyour!16微生物燃料电池的材料阳极材料阳极材料的要求是：高导电，耐腐蚀，高比表面积（区每卷），孔隙率高，非污染（例如，细菌不会填满它），廉价，和容易和规模较大的尺寸。碳素纸，布，泡沫，和风险投资。使用碳电极在纸，布，和泡沫形式的阳极是很常见的。17181920阴极材料21图2[2].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阳极研究进展阳极产电机制[2].卢娜，周顺桂，倪晋仁.微生物燃料电池的产电机制.化学进展.2008，20（7/8）:1233-1240.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,如碳布、石墨等,因此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。1.对材料的改性Zeikus[3]报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度,然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作为阳极,结果表明,这些改性阳极产生的电流功率是平板石墨的115～212倍。Zhang[4]报道了在石墨中加入聚四氟乙烯(PTFE)作为MFC的阳极,研究表明,PTFE的含量影响了MFC的电流产生,质量分数为30%的PTFE可以获得的最大功率为760mW/m2。[3].ZeikusGJ,ParkDH,LovleyDR.Harvestingenergyfromthemarinesediment2waterinterface:Ⅱ.Kineticactivityofanodematerials[J].BiosensorsandBioelectronics,2006,21(11):2058-2063.[4].ZhangTian,ZengYulong,ChenShengli,etal.ImprovedperformancesofE.coli2catalyzedmicrobialfuelcellswithcompositegraphite/PTFEAnodes[J].ElectrochemistryCommunications,2007,9(3):349-353.Cheng[5]将用氨气预处理过的碳布作为MFC的阳极,结果表明,预处理过的碳布产生的功率为1640mW/m2,要大于未预处理过的功率,并且MFC的启动时间缩短了50%。2.加入其他催化剂Qiao[6]报道了用碳纳米管/聚苯胺(CNT/PANI)作为MFC阳极。Kargi等[7]用铜和铜-金导线来代替石墨电极作为MFC的阳极,结果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。Rosenbaum[8]研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得了不错的效果,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。[5]ChengShaoan,LoganBE.Ammoniatreatmentofcarbonclothanodestoenhancepowergenerationofmicrobialfuelcells[J].ElectrochemistryCommunications,2007,9(3):492-496.[6]QiaoYan,LiChangming,BaoShujuan,etal.Carbonnanotube/polyanilinecompositeasanodematerialformicrobialfuelcells[J].JournalofPowerSources,2007,170(1):79-84.[7].KargiF,EkerS.Electricitygenerationwithsimultaneouswastewatertreatmentbyamicrobialfuelcell(MFC)withCuandCu2Auelectrodes[J].JournalofChemicalTechnologyandBiotechnology,2007,82(7):658-662.[8]RosenbaumM,ZhaoFeng,QuaasM,etal.EvaluationofcatalyticpropertiesoftungstencarbidefortheanodeofmicrobialfuelcellsJ.AppliedCatalysisB:Environmental,2007,74(3):261-269.24阴极研究进展阴极材料大多使用载铂碳材料,采用铂可以增加氧的还原物质的加入也相应增加了微生物燃料电池的成本,电流,并且催化剂用量可以低至0.1mg/cm2,但是由于Pt的价格比较昂贵限制其商业化应用。因此需要寻找廉价的可替代阳极铂催化剂。最近使用掺Fe3+的石墨[9]和沉积了氧化锰的多孔石墨[10]作为阴极材料的报道。[9]ParkDH,GregoryZJ.Improvedfuelcellandelectrodedesignsforproducingelectricityfrommicrobialdegradation[J].BiotechnologyandBioengineering,2003,81(3):348-355.[10]RhoadsA,BeyenalH,LewandowskiZ.Microbialfuelcellusinganaerobicrespirationasananodicreactionandbiomineralizedmanganeseasacathodicreactant[J].EnvironSciTechnol,2005,39(12):4666-4671.25电池性能制约因素：(1)动力学因素,阳极和阴极反应活化能的因素;(2)内阻的因素,主要来自电解液的离子阻力,电极与接触物质产生的电阻,以及PEM所产生的内电阻;(3)传递因素,反应物到微生物活性位的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散。26微生物燃料电池的应用一、废水处理27Thanksyour!28Thanksyour!293031微生物燃料电池的应用二、产氢323334微生物燃料电池的应用三、深海MFC概念，利用沉积物作为一个远程电源在海底或供电的数据采集设备或服务的一个加油站。35这一概念的SMFC很简单：将阳极进入厌氧沉积物和阴极到上覆水含有溶解氧。高盐度的海水提供了良好的离子导电电极之间，且有机质需要由细菌产生电已经在沉积物。显着的测试的一部分，是外电的细菌目前已在沉积物，而且他们能够充分竞争的微生物利用其他电子受体产生有用的功。他们指出，在大陆边缘沉积物通常包含2-3%的有机碳（干重）和不断变化的新的碳沉积物捕获的这种装置可以维持，如果发电在50毫瓦/平方米基本上无限期。36部分沉积物中测试在冷泉组成（A）一个单一的石墨棒阳极（B）阴极电子住房和刷显示的箭头1.箭头二显示二单元的背景3738应用前景①替代能源;②BOD传感器;③污水处理新工艺;④利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集。39微生物燃料电池自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，但作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。其主要原因是输出功率密度与其它电池技术相比存在着数量级上的差距。此外，较之其它电池，制作与运行成本也较高。若微生物燃料电池能降低成本和提高发电效率，将会为废水处理节省庞