微生物燃料电池

1、Huazhong University of Science and Technology微生物燃料电池学生：宋 健课程：环境生物技术时间：2013年12月16号1生物燃料电池生物燃料电池的概念的概念v燃料电池（fuel cell）：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。v生物燃料电池（biofuel cell）：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。vMFC，英文全称为microbial fuel cell：是以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。主要分为双室MFC和单室MFC。双室MFC由阳极区和阴极区组成，中

2、间用质子交换膜分开。而单室MFC即省去了阴极区，阳极和阴极在同一个室内工作。2生物燃料电池的特点生物燃料电池的特点原料来源广泛操作条件温和生物相容性好生物燃料电池结构比较简单3生物燃料电池的分类生物燃料电池的分类生物燃料电池工作方式电子转移方式酶生物燃料电池微生物燃料电池直接生物燃料电池间接生物燃料电池先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧的的还原。还原。指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行的电子

3、传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递。有效的电子传递。燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化燃料在电极表面上的催化燃料在电极表面上的反应。反应。燃料不在电极上反应，而在电解液中或燃料不在电极上反应，而在电解液中或其他地方反应，电子则由具有氧化还原其他地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。活性的介体运载到电极上去。4微生物燃料电池（微生物燃料电池（MFC）的基本工作）的基本工作原理原理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

4、有机物微生物微生物 有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生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，与电子受体极，与电子受体 （氧气）反应生成水。其阳极（氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：和阴极反应式如下所示：阳极反应：阳极反应： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阴极反应：阴极反应： 4e-O24H+ 2H2O图图1.生物燃料电池工作

5、原理5微生物燃料电池（微生物燃料电池（MFC）的基本工作）的基本工作原理原理直接微生物燃料电池工作机理v直接微生物燃料电池是指燃料直接在电极上被氧化，电子直接由燃料转移到电极。6微生物燃料电池（微生物燃料电池（MFC）的基本工作）的基本工作原理原理间接微生物燃料电池工作机理v间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，而是在别处氧化后，电子通过某种途径传递到电极上来。7阳极介绍阳极介绍v从MFC的构成来看，阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定MFC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。现在，MFC阳极主要是以碳为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒

6、、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。v阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生物的量也就能影响产电量。因此阳极材料的选择主要就是考虑材料的比表面积8阳极介绍阳极介绍此外，阳极除了材料还有关注的重点就是阳极附着的微生物。目前已知的产电微生物有希瓦氏菌、假单胞菌、泥细菌等。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。相较与纯菌，混合菌具有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输出效率高的优点。通常使用的是厌氧发酵液、河道的厌氧底泥以及污水处理厂的厌氧活性污泥。9膜的介绍膜的介绍v质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都

7、被截留的微孔材料。v现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。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10阴极的介绍阴极的介绍v最新的研究表明，阴极是制约MFC产电的主要原因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分为非生物阴极和生物阴极。11v非生物阴极常用的催化剂主要有Pt、过渡金属元素等。目前，Pt是使用的最为广泛的高效催化剂，有研究表明，用Pt催化电极反应可以

8、使MFC的产电性能提高近4倍。但是，Pt的价格昂贵，不适宜长期使用。最近研究人员又把目光投向了过渡金属元素，如铁和钴。比如实验室目前使用的铁氰化钾。电子传递性能和输出电压都有明显的提升。非生物阴极虽然能显著提高MFC产电性能，但是其成本高、稳定性差、也容易造成催化剂污染。非生物阴极非生物阴极12生物阴极生物阴极v研究人员考虑用微生物体内的具有特定功能的酶作为催化剂，取代金属催化剂。v 与非生物型阴极相比，生物阴极具有的优点：1. 可以显著降低MFC建造的成本2. 能够避免出现催化剂中毒，提高系统运行的稳定性3. 利用某些特定微生物的代谢可以去除水中的多种污染物，例如生物反硝化v 生物阴极根据最

9、终电子受体的不同，也可细分为好氧型生物阴极和厌氧型生物阴极。13vMFC中常用的就是氧气，因其在空气中含量较高，使用也很方便，直接在阴极曝气。研究者发现长满生物膜的不锈钢阴极能够还原氧气，提高电池性能，最大功率密度达到320mW/。当去除生物膜后功率密度会显著下降，从原来的270降到了2.8，这就证明生物膜对氧气还原有着明显的催化作用。v其次，二氧化锰也能作为直接的电子受体，在MFC的阴极表面沉积一层MnO2，利用MnO2的电化学还原和生物再氧化过程，在 MFC 中首次实现了生物阴极过程 。阴极发生的反应可以分为两步：好氧型生物阴极好氧型生物阴极14好氧型生物阴极好氧型生物阴极v二氧化锰也能作

10、为直接的电子受体，在MFC的阴极表面沉积一层MnO2，利用MnO2的电化学还原和生物再氧化过程，在 MFC 中首次实现了生物阴极过程 。阴极发生的反应可以分为两步：三价铁作为直接的电子受体这比直接以氧气为电子受体的MFC产电能力提高了近40倍。15厌氧型生物阴极厌氧型生物阴极v在厌氧条件下，许多化合物，如硝酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳等都可以作为电子受体。利用厌氧生物阴极代替需氧生物阴极的一大优势是可以阻止氧通过PEM扩散到阳极，防止氧气消耗电子导致库伦效率下降。 目前研究比较广泛的是以硝酸盐和硫酸盐作为最终电子受体的情况。v硝酸盐为电子受体参加电极反应，能够实现微生物在低碳源或无碳源条件下的

11、反硝化作用，避免在水处理过程中补充碳源。16 以硝酸盐为电子受体的MFC在产电能力方面逊色于其他类型的MFC，但是能够在阴极实现生物反硝化也使得其在实际应用中有十分重要的意义。 硫酸盐也可以作为MFC阴极的电子受体，但是它的接受电子的能力明显弱于硝酸盐，但是它的还原不需要严格厌氧条件，因此，作为研究对象而言还是很有吸引力的。此外，二氧化碳也可以倍作为终端电子受体。研究人员在阴极以中性红为电子介体，依靠微生物利用阴极电极产生的电子将二氧化碳还原成甲烷。但其产电力不高。厌氧型生物阴极厌氧型生物阴极17MFC同步脱氮除碳技术同步脱氮除碳技术MFC同步的脱氮除碳是：研究人员在MFC阳极利用微生物去除有

12、机物产生电子，同时在阴极利用硝酸盐还原菌催化硝酸盐还原，从而实现在去除有机物的同时，脱去污水中的氮。18微生物燃料电池的最新研究进展微生物燃料电池的最新研究进展1.与MEMS(microelectrom echanical system) 结合的微生物燃料电池。v 美国加州大学Berkerley分校机械工程系的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。lin 的燃料电池目前已能达到0.07cm2 面积大小，使用的燃料为葡萄糖，催化剂为cerevisiae酵母。v 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

13、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。19vLin 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。v这种微型生物燃料电池产生的电压，已足以驱动MEMS（microelectrom echanical system）器件，同时，微生物燃料电池产生的只是二氧化碳和水分。v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.微生物燃料电池的最新研究进展微生物燃料电池的最新研究进展20v 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

14、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。v 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.v 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认为它可以提供 500KW 的稳定功率，大约是300户家庭的用电功率.2 .处理污水的微生物燃料电池微生物燃料电池的最新研究进展微生物燃料电池的最新研究进展21微生物燃料电池的最新研究进展微生物燃料电池的最新研究进展v 是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器人。基于微生物燃料电池（MFC）技术的吃肉机器人如下图所示的是一种吃肉机器人，它所依靠的正是典型的微生物燃料电池技术，可将食物的能源转化为电流。v 以葡萄糖溶液作为基础燃料，利用发酵来起作用。这种基于微生物燃料电池的吃肉机器人，主要包括以下几个必要部件：生物催化剂，氧化还原反应的中介物；一个阳离子交换隔膜；电极；阴极氧化反应物（例如图中的铁氰化物ferricyanide）。3 . 吃肉的机器人（gastro