微生物燃料电池 (1)课件

1、微生物燃料电池微生物燃料电池 Microbial Fuel Celln解决当前日趋严重的解决当前日趋严重的环境污染环境污染问题和探寻问题和探寻新的产能方新的产能方式式是关系人类社会可持续发展的两大根本性问题。是关系人类社会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n微生物燃料电池微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell, 简称简称MFC)是是以微生物为主体，在阳极将有机物燃料氧化，并将电以微生物为主体，在阳极将有机物燃料氧化，并将电子捕获，通过电极将其传递至阴极，进而产生电流，子捕获，通过电极将其传递至阴极，进而产生电流，最终实现化学能直接转化为电能的装置。最终实

2、现化学能直接转化为电能的装置。具有具有产电产电与与废弃物处置废弃物处置的双重功效。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之一，其研究受到了学术界的极大关注，利用方向之一，其研究受到了学术界的极大关注，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。发展历史发展历史n1.1.早在早在19101910年，英国植物学家年，英国植物学家马克马克比特比特首次发现了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，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

3、培养液里，成功制造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；出了世界第一个微生物燃料电池；n2.2.19841984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物年，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；它的放电率极低；n3.1991 年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水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，直到最近几年用的范例，然而，直到最近几年用MFCMFC处理处理生活污水生活污水得到得到的电池功率才有所增强；的电池功率才有所增强；n4.

4、 .近几年近几年, MFC, MFC的研究已经成为治理和消除环境污染源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。开发新型能源研究工作者的关注热点。MFC的性能特点的性能特点与常规燃料电池相比，与常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，以微生物代替昂贵的化学催化剂，因而具有更多优点：因而具有更多优点：u燃料来源广泛燃料来源广泛，尤其可利用有机废水等废弃物；，尤其可利用有机废水等废弃物；u反应条件温和反应条件温和，常温常压下即可运行；，常温常压下即可运行；u环境友好环境友好，所产生的物质主要是所产生的物质主要是CO2和和H2O，无酸、碱、，无酸、碱、重金属

5、等污染物产生，重金属等污染物产生，无需对其产物做任何后处理无需对其产物做任何后处理；u因能量转化过程无燃烧步骤，故因能量转化过程无燃烧步骤，故理论转化效率较高理论转化效率较高。 有机物作为燃料在厌氧的阳极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，而质子通过质子交回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与电子受体换膜到达阴极，与电子受体 （氧气）（氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式反应生成水。其阳极和阴极反应式如下

6、所示：如下所示：MFC的基本工作原理：的基本工作原理：PEM负载负载阳极室阳极室阴极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物有机物微生物微生物图图1.微生物燃料电池工作原理Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell4e-O24H+ 2H2O(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阳极反应：阳极反应：阴极反应阴极反应 图图2. 2. 微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图:A.:A.直接接直接接触触;B.;B.纳米导线纳米导线;C.;C.氧化还原介体氧化还原介体;D.;D.还原

7、态初级代谢产物原位氧化还原态初级代谢产物原位氧化阳极产生电子的机理阳极产生电子的机理阳极材料阳极材料l阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定MFCMFC产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与电子传递机理的重要的辅助工具。电子传递机理的重要的辅助工具。l现在，现在，MFCMFC阳极是微生物附着的主要场所，其量的多少直接阳极是微生物附着的主要场所，其量的多少直接关系到产电能力的大小，其关系到产电能力的大小，其必要条件是具有必要条件是具有高导电率、高高导电率、高比表面积、高孔隙率、

8、廉价易造且可回收等比表面积、高孔隙率、廉价易造且可回收等。主要是以主要是以碳碳为主要材料，包括为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。以及碳纤维刷。目前对阳极的研究主要是目前对阳极的研究主要是u对导电材料的改性对导电材料的改性u加入其他的催化剂加入其他的催化剂碳纸，碳布，泡沫碳纸，碳布，泡沫痰及玻璃电极。痰及玻璃电极。石墨棒，石墨板l1.对材料的改性对材料的改性lZeikus等等1报道了用报道了用石墨石墨阳极固定微生物来增加电流密度阳极固定微生物来增加电流密度, 然后用然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性

9、石墨作为阳极。结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果表明，这些改性阳极产生的电流功率是平板石墨的115212倍。倍。lZhang等等2报道了在报道了在石墨石墨中加入中加入聚四氟乙烯聚四氟乙烯( PTFE) 作为作为MFC的阳的阳极极,研究表明研究表明,PTFE 的含量影响了的含量影响了MFC的电流产生的电流产生,质量分数为质量分数为30%的的PTFE可以获得的最大功率为可以获得的最大功率为760 mW/ m2。lCheng等将用等将用氨气氨气预处理过的预处理过的碳布碳布作为作为MFC 的阳极的阳极,结果表明结果表明,预预处理过的碳布产生的功率为处理过的碳布产生

10、的功率为1640 mW/ m2 ,要大于未预处理过的功率要大于未预处理过的功率,并且并且MFC 的启动时间缩短了的启动时间缩短了50 %。l2 .加入其他催化剂加入其他催化剂lQiao等报道了用等报道了用碳纳米管碳纳米管/ 聚苯胺聚苯胺(CNT/ PANI)作为作为MFC 阳极。阳极。lKargi 等用等用铜铜和和铜铜- 金金导线来代替石墨电极作为导线来代替石墨电极作为MFC 的阳极的阳极,结结果发现果发现,随着阳极表面积的增大随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。产生的电流和功率也随之增大。lRosenbaum等研究了用等研究了用碳化钨碳化钨作为微生物燃料电池的阳极作为微生物燃料

11、电池的阳极,获得获得了不错的效果了不错的效果,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。的阳极是适合的。阳极除了材料之外，还需要关注的重点就是阳极除了材料之外，还需要关注的重点就是阳极附着的微生物阳极附着的微生物。目前已知的产电微生物主要包括目前已知的产电微生物主要包括希瓦氏菌希瓦氏菌（Shewanella）、地杆菌（地杆菌（Geobactor）以及）以及假单胞菌假单胞菌、泥细菌泥细菌等。但是在应用范围内，等。但是在应用范围内，很少使用纯菌，而多数使用的为混合菌群。很少使用纯菌，而多数使用的为混合菌群。相较与纯菌，混合菌具有相较与纯菌，

12、混合菌具有阻抗环境冲击能力阻抗环境冲击能力强、利用基质范围广、降解底物速率和能量强、利用基质范围广、降解底物速率和能量输出效率高的优点。输出效率高的优点。阳极附着微生物阳极附着微生物离子交换膜离子交换膜质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是理想的材料是只允许质子透过，而基质、细菌和氧只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截留的微孔材料气等都被截留的微孔材料。在试验中大多选用的是在试验中大多选用的是质子交换膜（质子交换膜（PEM）。阴极材料阴极材料阴极的设计是阴极的设计是MFC使用和升级的一个最大挑战。前面提使用和升级的一个最大

13、挑战。前面提到的阳极材料同样可以适用于阴极，不过阴极材料在使到的阳极材料同样可以适用于阴极，不过阴极材料在使用时需要添加催化剂，因为电子受体在阴极还原速率比用时需要添加催化剂，因为电子受体在阴极还原速率比较慢。最理想的阴极电子受体应当是较慢。最理想的阴极电子受体应当是氧气氧气，但是从氧气，但是从氧气的还原动力学来看，的还原动力学来看，氧气的还原速度较慢，这直接影响氧气的还原速度较慢，这直接影响了了MFC的产电性能的产电性能。于是在阴极加入各种。于是在阴极加入各种催化剂催化剂来提高来提高氧气的还原速率的研究开始了。氧气的还原速率的研究开始了。阴极材料大多使用阴极材料大多使用载铂碳载铂碳材料材料,

14、 但是由于但是由于Pt的价格比较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阴昂贵限制其商业化应用。因此需要寻找廉价的可替代阴极铂催化剂。有报道给出了掺极铂催化剂。有报道给出了掺Fe3+的的石墨石墨和沉积了和沉积了氧化氧化锰锰的的多孔石墨多孔石墨作为阴极材料。作为阴极材料。目前实验室有一个课题就是研究目前实验室有一个课题就是研究阴极催化剂阴极催化剂，以，以生物生物炭修饰电极炭修饰电极为基础，以常见的物质，如青苔、丝瓜络为基础，以常见的物质，如青苔、丝瓜络以及植物秸秆等，将其经与处理之后再以及植物秸秆等，将其经与处理之后再高温真空碳化高温真空碳化，利用利用循环伏安法（循环伏安法（CV

15、CV）、线性伏安法（）、线性伏安法（LSVLSV）等电化学等电化学技术进行研究。观察其还原电位以及电流的大小，并技术进行研究。观察其还原电位以及电流的大小，并与铂电极进行比较。与铂电极进行比较。实验研究内容实验研究内容制约电池性能的因素制约电池性能的因素(1)(1)动力学方面动力学方面：阳极和阴极反应活化能较高阳极和阴极反应活化能较高; ; (2)(2)内阻方面内阻方面：主要来自电解液的离子阻力主要来自电解液的离子阻力, ,电极与接触物电极与接触物质产生的电阻质产生的电阻, ,以及以及PEMPEM所产生的内电阻所产生的内电阻; ; (3)(3)物质传递物质传递：反应物到微生物活性位的传质阻力和

16、阴极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。区电子最终受体的扩散。应用前景应用前景 目前目前,虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定的输出虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定的输出功率功率,还有待于相关技术的进一步提高。但完全可以相还有待于相关技术的进一步提高。但完全可以相信信,随着微生物学和电化学技术的不断发展随着微生物学和电化学技术的不断发展,微生物燃微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机料电池将会成为未来利用各种有机(废废) 物发电的新技物发电的新技术核心。术核心。微生物燃料电池是一种能将产生微生物燃料电池是一种能将产生新能源新能源和解决和解决环境污环境污染染问题有机的结

17、合起来的新技术。可望成为一种问题有机的结合起来的新技术。可望成为一种能源能源替代替代形式，并在形式，并在生物传感器、污水处理新工艺生物传感器、污水处理新工艺，以及，以及利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集等方面都有较好的应用前景。等方面都有较好的应用前景。 MFC最新研究进展最新研究进展一、与微电极电池系统 (MEMS) 结合的MFC.u美国加州大学Berkerley分校机械工程系的Pro.Lin出于对无污染的汽车能源和家用能源的研究，注意到了微生物燃料电池。其研究表明，微生物燃料电池完全可以做到更小的尺度。 Pro.Lin的燃料电池目前

18、已能达到0.07cm2 面积大小，使用的燃料为葡萄糖，催化剂为cerevisiae酵母。u这种微生物燃料电池的原型中有一个微小的空室，用于放置进行发酵作用的微生物。葡萄糖溶液通过平行的流体槽道进入到这个微小空室中。在微生物进行发酵的过程中，产生氢质子和电子。MFC最新研究进展最新研究进展 Pro.Lin的实验中，在长达两个小时的过程中，该微生物燃料电池产生了 300mV 的电压。l这种微型生物燃料电池产生的电压，已足以驱动MEMS器件，同时，微生物燃料电池产生的只是二氧化碳和水分。l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.MFC最新研究进展最新研究进展二、处理污水的微生物燃料电池 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Logan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 500W1000W. 等技术成熟后可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将获得很大提高，Logan