生物燃料电池中的传质与扩散过程

1、目录目录生物燃料电池传质与扩散的研究方法生物燃料电池传质与扩散的研究方法1强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类3生物多孔电极、电解质与隔膜传质扩散生物多孔电极、电解质与隔膜传质扩散4生物燃料电池中传质与扩散过程生物燃料电池中传质与扩散过程2生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法研究研究方法方法无介体法无介体法微生物微生物-介体组合介体组合法法低强度超低强度超声波法声波法电极构型电极构型法法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法无介体生物燃料电池原理图无介体生物燃料电池原理

2、图这类细菌可以在无氧化还原介体存在的条件下，将电子传递给电极从而这类细菌可以在无氧化还原介体存在的条件下，将电子传递给电极从而产生电流。同样具有产电能力的有产生电流。同样具有产电能力的有RfRf一一6 6、Gin-6Gin-6和和GsGs一一6 6三种微生物，它们三种微生物，它们在分解有机底物进行自身代谢过程中，易在固体表面吸附成膜，把降解有在分解有机底物进行自身代谢过程中，易在固体表面吸附成膜，把降解有机物产生的电子传递到电池阳极，具有直接传递电子的能力。机物产生的电子传递到电池阳极，具有直接传递电子的能力。 在电子传递过程中添加介体，底物在微生物或酶的作用下被氧化，介在电子传递过程中添加介

3、体，底物在微生物或酶的作用下被氧化，介体穿过封闭空间的薄膜进入容器，电子通过介体的氧化还原态的转变，从体穿过封闭空间的薄膜进入容器，电子通过介体的氧化还原态的转变，从而把自由电子传输到阳极。目前主要分为而把自由电子传输到阳极。目前主要分为菌种一介体两种方菌种一介体两种方法。法。生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法菌种一介体燃料电池原理图菌种一介体燃料电池原理图介质固定法介质固定法菌种菌种-介体法介体法 在厌氧下与电极在厌氧下与电极键合的染料能促使微键合的染料能促使微生物细胞与电极之间生物细胞与电极之间的电子传递。但的电子传递。但介体介体价格昂

4、贵，需经常补价格昂贵，需经常补充，且氧化还原介体充，且氧化还原介体有毒有毒，使其不能在从，使其不能在从有机物中获得能量的有机物中获得能量的开放环境中使用。开放环境中使用。 一些有机物和金属一些有机物和金属有机物可以用作生物燃有机物可以用作生物燃料电池的电子传递介体，料电池的电子传递介体，其中，较为典型的是硫其中，较为典型的是硫堇类、吩嗪类和一些有堇类、吩嗪类和一些有机染料。机染料。生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法特点一特点一特点二特点二 可可改善微生物燃改善微生物燃料电池的产电效能料电池的产电效能。而低强度超声波可以而低强度超声波可以有效

5、提高酶的活性，有效提高酶的活性，促进细胞的生长与生促进细胞的生长与生物合成及改变细胞膜物合成及改变细胞膜和细胞壁的结构，提和细胞壁的结构，提高细胞膜的通透性。高细胞膜的通透性。 低强度超声波的强低强度超声波的强化是一个持续的、长期化是一个持续的、长期的过程，长期的低强度的过程，长期的低强度超声波间歇作用促使反超声波间歇作用促使反应器中的微生物产生了应器中的微生物产生了一定程度的驯化和进化，一定程度的驯化和进化，使得微生物更适应在所使得微生物更适应在所处的环境中产电。处的环境中产电。生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法电极构型电极构型法法 在对

6、生物在对生物燃料电池的电极燃料电池的电极构型的研究中，构型的研究中，发现生物燃料电发现生物燃料电池的产电性能与池的产电性能与阳极和阴极面积阳极和阴极面积的相对比值有关的相对比值有关，而不是只与阴，而不是只与阴极面积有关。极面积有关。特点一特点一特点二特点二 阳极和阴极阳极和阴极面积的相对比值越面积的相对比值越大，则电子穿透性大，则电子穿透性越好，产电性能越越好，产电性能越好。好。生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程生物燃料电池中的传质与扩散过程传质扩散传质扩散 概述概述 生物燃料电池是以酶或微生物作为催化剂生物燃

7、料电池是以酶或微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置，将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置，由阳极区、阴极区和质子交换膜由阳极区、阴极区和质子交换膜( (或无膜或无膜) )组成组成，其中中间膜通常将阴极区和阳极区分开。，其中中间膜通常将阴极区和阳极区分开。 分类分类 可分为细菌电池可分为细菌电池( (微生物燃料电池微生物燃料电池) )和酶电和酶电池。池。1234 在阳极区，在阳极区，微生物利用电极微生物利用电极材料作为电子受材料作为电子受体将有机底物氧体将有机底物氧化，这个过程要化，这个过程要伴随电子和质子伴随电子和质子的释放。的释放。 释放的电释放的电子在微生物作子在微生物

8、作用下通过电子用下通过电子传递介质转移传递介质转移到电极上到电极上 电子通过电子通过导线转移到阴导线转移到阴极区，释放出极区，释放出来的质子透过来的质子透过质子交换膜也质子交换膜也到达阴极区；到达阴极区； 在阴极区，在阴极区，电子、质子和电子、质子和氧气反应生成氧气反应生成水。水。生物燃料电池中的传质与扩散过程生物燃料电池中的传质与扩散过程 许多细菌和微生物具有直接将太阳能转化为电能的能力许多细菌和微生物具有直接将太阳能转化为电能的能力，而其中大多，而其中大多数具有光电直接转换能力的细胞，利用的都是它们独特的质子泵效应和光数具有光电直接转换能力的细胞，利用的都是它们独特的质子泵效应和光电特性。

9、细胞视紫红质的主要生理作用就是在光直接驱动下单向的运输质电特性。细胞视紫红质的主要生理作用就是在光直接驱动下单向的运输质子，可以在细胞膜两侧形成很大的质子梯度，这就是细胞视紫红质的质子子，可以在细胞膜两侧形成很大的质子梯度，这就是细胞视紫红质的质子泵效应。泵效应。生物燃料电池中的传质与扩散过程生物燃料电池中的传质与扩散过程基基本本分分类类生物燃料电池中的传质与扩散过程生物燃料电池中的传质与扩散过程1.1.利用光能的酶燃料电池利用光能的酶燃料电池2.2.普通酶生物燃料电池普通酶生物燃料电池基基本本分分类类强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类1.1.酶电极酶电极2.2.实现

10、直接电子传递的方法实现直接电子传递的方法3.3.电极立体化电极立体化 4. 4.深层亲水电极深层亲水电极5.5.酶电极的电化学生物印刷固载方法酶电极的电化学生物印刷固载方法 利用酶进行生物电化学的利用酶进行生物电化学的催化，可以强化生物燃料电池催化，可以强化生物燃料电池酶电极的传质过程。酶电极的传质过程。特点一特点一特点二特点二特点四特点四特点三特点三 普通蛋白酶的导电性较差，普通蛋白酶的导电性较差，因此需要对酶催化剂进行改性，因此需要对酶催化剂进行改性，并且提高其浓度。并且提高其浓度。 利用酶进行生物电化利用酶进行生物电化学的催化，可以强化生物燃学的催化，可以强化生物燃料电池酶电极的传质过程

11、。料电池酶电极的传质过程。 有了有效性较强的生物电有了有效性较强的生物电化学催化酶，还需要将其固定化学催化酶，还需要将其固定在生物燃料电池的电极表面，在生物燃料电池的电极表面，制成生物燃料电池的酶电极发制成生物燃料电池的酶电极发挥其催化作用。挥其催化作用。强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类 在这种酶电极中，电子在氧化还原活性中心的跳跃、氧化态和还原在这种酶电极中，电子在氧化还原活性中心的跳跃、氧化态和还原态的活性中心的碰撞和作为骨架的聚合物链段的运动，使反应从介质到态的活性中心的碰撞和作为骨架的聚合物链段的运

12、动，使反应从介质到酶活性位点的扩散途径变的很短，传质阻力减少，酶活性增大，加速或酶活性位点的扩散途径变的很短，传质阻力减少，酶活性增大，加速或强化了酶电极与电解质问的传质与扩散过程。强化了酶电极与电解质问的传质与扩散过程。 通过在电极表面通过在电极表面进行贵金属纳米粒子进行贵金属纳米粒子及碳纳米管等物质的及碳纳米管等物质的修饰，来实现直接的、修饰，来实现直接的、快速的电子传递。常快速的电子传递。常用用固定化材料包括无固定化材料包括无机材料、有机聚合物、机材料、有机聚合物、凝胶及生物材料凝胶及生物材料 对微生物酶分子对微生物酶分子的蛋白质外壳进行修的蛋白质外壳进行修饰，使它能够允许电饰，使它能够

13、允许电子通过，然后再把修子通过，然后再把修饰后的酶固定到电极饰后的酶固定到电极上。上。 在比微生物细胞在比微生物细胞更小的尺度上，直接更小的尺度上，直接用导电聚合物固定酶。用导电聚合物固定酶。大大缩短了电子传递大大缩短了电子传递的距离，从而实现电的距离，从而实现电子的直接传递子的直接传递强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类立体化电立体化电极极 电解液会进电解液会进入电极的催化层入电极的催化层并形成薄的浸润并形成薄的浸润液膜，不仅稳定液膜，不仅稳定了反应区了反应区( (三相界三相界面面) )，而且确保在，而且确保在电极催化层内均电极催化层内均可实现电化学反可实现电化学反应

14、，即实现电极应，即实现电极的立体化。的立体化。特点一特点一特点二特点二 为扩大反应界为扩大反应界面，在制备电极时，面，在制备电极时，可将离子导体加入可将离子导体加入电极催化层内，以电极催化层内，以期在电极内建立离期在电极内建立离子导电通道。向电子导电通道。向电催化层内加入离子催化层内加入离子导体的技术称为电导体的技术称为电极的立体化技术。极的立体化技术。强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类特点一特点一特点二特点二特点三特点三 有利于电极有利于电极催化层与膜的紧催化层与膜的紧密结合，避免了密结合，避免了由于电极催化层由于电极催化层与膜的溶胀性不与膜的溶胀性不同所造成的电极

15、同所造成的电极与膜的分层；与膜的分层； 使酶一铂使酶一铂/ /炭催化剂与炭催化剂与NationNation型质子型质子导体保持良好导体保持良好的接触；的接触； 有利于进有利于进一步降低电极一步降低电极的铂担量。的铂担量。强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类 这种电极内可以没有由憎水剂构成的气体气相扩散传质通道。由于电极这种电极内可以没有由憎水剂构成的气体气相扩散传质通道。由于电极内靠反应气体在水中或全氟磺酸树脂中溶解扩散实现传质，内靠反应气体在水中或全氟磺酸树脂中溶解扩散实现传质，所以这种电解催所以这种电解催化层很薄一般为几微米。化层很薄一般为几微米。 主要的方法还是主

16、要的方法还是通过通过包埋、吸附、共包埋、吸附、共价、交联等价、交联等方法与电方法与电极材料连接。极材料连接。 常见的酶电极电常见的酶电极电化学生物印刷的方法化学生物印刷的方法较多，方法也较为简较多，方法也较为简单，如通过在电极表单，如通过在电极表面对酶进行薄层的固面对酶进行薄层的固定或印迹等，定或印迹等，但是其但是其实质还是酶的固定化实质还是酶的固定化技术，技术， 酶电极的酶电极的自组装自组装复合固定化过程复合固定化过程也是也是未来酶电极制作的发未来酶电极制作的发展方向。自组装通过展方向。自组装通过化学键或其他作用力化学键或其他作用力自发吸附在电极的界自发吸附在电极的界面上，形成热力学稳面上，

17、形成热力学稳定和能量最低的有序定和能量最低的有序结构结构强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类 载体酶的介孔材料，载体酶的介孔材料，内表面孔穴丰富，使其具内表面孔穴丰富，使其具有对酶负载的特殊物理化有对酶负载的特殊物理化学性能。应用于生物传感学性能。应用于生物传感器、肽合成和纸浆的生物器、肽合成和纸浆的生物漂白中。漂白中。最常用的方法是最常用的方法是简单吸附简单吸附酶的固定酶的固定 利用壳聚糖链上基团所利用壳聚糖链上基团所带电荷与带反电荷的酶，通带电荷与带反电荷的酶，通过静电力结合，并结合于电过静电力结合，并结合于电极上，固定后的酶电极，强极上，固定后的酶电极，强化了酶电

18、极、电解质和燃料化了酶电极、电解质和燃料的传质过程，提高了生物燃的传质过程，提高了生物燃料电池的性能。料电池的性能。强化传质与扩散材料的制备与种类强化传质与扩散材料的制备与种类介孔介质的酶负载介孔介质的酶负载壳聚糖固定酶电极壳聚糖固定酶电极 电子主要有三个电子主要有三个去向：去向：转化成电量；转化成电量；通过厌氧呼吸被消耗；通过厌氧呼吸被消耗；通过微生物的兼氧和通过微生物的兼氧和好氧呼吸被损失掉。好氧呼吸被损失掉。 从电极的厚度上从电极的厚度上分，分，有厚度达毫米级有厚度达毫米级的厚层电极，也有厚的厚层电极，也有厚度仅为几微米的薄层度仅为几微米的薄层电极；电极；从建立稳定的从建立稳定的三相界面

19、三相界面( (反应区反应区) )上上分，分，有双孔结构电极有双孔结构电极，也有掺有聚四氟乙，也有掺有聚四氟乙烯类憎水剂三相界面烯类憎水剂三相界面的电极；的电极； 还有依据气体压还有依据气体压力与毛细力和电极与力与毛细力和电极与电解质隔膜的孔径分电解质隔膜的孔径分布相互配合来稳定反布相互配合来稳定反应区的电极。应区的电极。生物多孔电极、电解质与隔膜间的传质扩散生物多孔电极、电解质与隔膜间的传质扩散电极分类电极分类 可以满足多孔气体扩散可以满足多孔气体扩散电极的要求。细孔层内充满电极的要求。细孔层内充满电解液，具有一定的阻气能电解液，具有一定的阻气能力并可传导导电离子。力并可传导导电离子。 由催化

20、剂构成的亲水网络为电解质完由催化剂构成的亲水网络为电解质完全浸润，可提供电子、离子和水的通道，而全浸润，可提供电子、离子和水的通道，而由憎水剂构成的憎水网络为反应气的进入提由憎水剂构成的憎水网络为反应气的进入提供气相扩散通道。供气相扩散通道。 属于催化层双孔结属于催化层双孔结构电极。构电极。细孔层用微孔细孔层用微孔塑料膜，当其充满电解塑料膜，当其充满电解液后起传导离子和阻气液后起传导离子和阻气作用。作用。双孔结构双孔结构电极电极聚四氟乙聚四氟乙烯憎水剂烯憎水剂黏合型电黏合型电极极 Shell塑塑料电极料电极生物多孔电极、电解质与隔膜间的传质扩散生物多孔电极、电解质与隔膜间的传质扩散生物燃料电池

21、中的传质与扩散过程的现代研究方法生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法研究研究方法方法无介体法无介体法微生物微生物-介体组合介体组合法法低强度超低强度超声波法声波法电极构型电极构型法法 在电子传递过程中添加介体，底物在微生物或酶的作用下被氧化，介在电子传递过程中添加介体，底物在微生物或酶的作用下被氧化，介体穿过封闭空间的薄膜进入容器，电子通过介体的氧化还原态的转变，从体穿过封闭空间的薄膜进入容器，电子通过介体的氧化还原态的转变，从而把自由电子传输到阳极。目前主要分为而把自由电子传输到阳极。目前主要分为菌种一介体两种方菌种一介体两种方法。法。生物燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法生物

22、燃料电池中的传质与扩散过程的现代研究方法菌种一介体燃料电池原理图菌种一介体燃料电池原理图介质固定法介质固定法菌种菌种-介体法介体法 在厌氧下与电极在厌氧下与电极键合的染料能促使微键合的染料能促使微生物细胞与电极之间生物细胞与电极之间的电子传递。但的电子传递。但介体介体价格昂贵，需经常补价格昂贵，需经常补充，且氧化还原介体充，且氧化还原介体有毒有毒，使其不能在从，使其不能在从有机物中获得能量的有机物中获得能量的开放环境中使用。开放环境中使用。 一些有机物和金属一些有机物和金属有机物可以用作生物燃有机物可以用作生物燃料电池的电子传递介体，料电池的电子传递介体，其中，较为典型的是硫其中，较为典型的是硫堇类、吩嗪类和一些有堇类、吩嗪类和一些有机染料。机染料。生物燃料电池中