生物电池
小编语：为你精心整理的生物电池,希望对你有帮助! 如果喜欢就请继续关注我们博文学习网（www.hnnscy.com）的后续更新吧！
生物电池篇一：微生物电池
4-4 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）
目前，全世界普遍采用的废水生物处理技术仍然是好氧生物处理和厌氧生物处理两种方法。好氧生物处理需要消耗大量的能量，运行费用高；厌氧工艺运行费较低，且可以甲烷形式获得额外的生物能，但由于甲烷的回收利用仍未能很好的解决，通常都是将其燃烧或排放而无法实现能源的回收利用。
有机废水中含有大量可生物降解的物质，如果能够利用这些物质直接回收能源，则将克服传统废水生物处理的缺陷，并从根本上缓解当今人类面临的水污染与能源短缺问题。近年来，随着微生物燃料电池(MFC)技术的兴起和快速发展，这一目标有望实现。微生物燃料电池能够在利用微生物降解废水中有机物的同时获取直接的电能输出，是一种新型的废水生物处理技术[1]。
生物产电现象早在1911年就被发现，但后面的几十年中，一直没有实质性进展。上世纪90年代，燃料电池得到关注，微生物燃料电池的研究工作也逐渐增多。直到1999年，研究者发现微生物燃料电池中可以不需外加介体后，这个领域的研究才真正兴起[2,3]。尤其在近几年，微生物燃料电池得到各国研究者的广泛关注。
4-4-1 微生物燃料电池工作原理
图1 微生物燃料电池工作原理图
微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）是一种生物电化学装置。其工作原理是利用微生物（产电菌）的催化作用，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能，如图1所示。
电池的阳极室处于厌氧环境，阴极室处于好氧环境，两个电极室由质子交换膜分隔。附着在电池阳极的微生物氧化有机物质（电子供体），放出质子和电子；其中，电子通过外电路传递至阴极，质子通过质子交换膜传递至阴极；电池阴极的电子受体（如O2）接受电子发生还原反应，完成整个产电过程。
衡量微生物燃料电池产电性能的主要指标为：电压（mV）、电流密度（mA/m2）、功率密度、库仑效率等。
功率密度分为两种：基于阳极表面积的面积功率密度（mW/m2），以及基于阳极室容积的体积功率密度（mW/m3），前者较为常用。
库仑效率也称为电子回收率，是实际产生的电量与基质（电子供体）能提供的电量之比。库仑效率是反映电池综合产电性能的重要指标。
对于分批模式运行的MFC，其计算公式为[2]：
tb
CE?Ms?Idt
FbesVAn?c（4-1）
式中，Ms为基质的摩尔质量；tb为周期时间；I为t时的电流；F为法拉第常数；bes为基质转移电子的物质的量；VAn为阳极室容积；ΔC为一个产电周期内基质的浓度变化。
当使用复杂基质时，可以用COD浓度来简化计算[2]：
tb
CE?8?Idt0
FVAn?COD （4-2）
其中，8是由O2的分子量32和O2还原得到电子数4计算出的一个常量。
对于连续模式运行的MFC，可以用基质的COD浓度变化和流量来计算[2]：
CE?
【例1】 MsI （4-3） Fbesq?c分批模式运行的MFC，电流为I＝0.5 mA， 基质为1 g/L的乙酸，产电周期96h，
阳极室容积 100 mL，乙酸的分子量为59，试计算库仑效率。
本例中，可将（4-1）中的积分简化：
CE?MsIt59?0.5mA?96h1A3600s????0.13??FbesVAn?c96500C/mole?8mole/mol?0.1L?1g/L1000mAh 因此，本周期的库仑效率为13％。
目前，微生物燃料电池的用途主要有：海底自动发电、生物修复、生物传感器和废水处理。其中，废水处理是公认的最有前途的微生物燃料电池应用领域[2]。
4-4-2 微生物燃料电池的结构
1 阳极
微生物燃料电池的阳极功能为附着微生物，进行有机物质的氧化，放出电子。基于这些功能，对其材料有如下的要求：高导电性、抗腐蚀、高比表面积、多孔性、抗堵塞、价格低廉、易于制作和放大等[2]。常用的阳极材料有石墨棒、石墨板、石墨毡、碳纸、碳布等。许多研究者对电极材料进行了考察和性能优化。
对碳纸、石墨和碳毡三种阳极材料的产电性能比较表明，阳极比表面积越大，表面电位越低，则生物量越高，内阻越小[4]。将石墨和碳毡作为阳极填料，组装成填料型MFC时，碳毡作为填料时，最大功率密度为1502 mW/m2，优于石墨；将碳毡与碳纸烧结为一体，最大功率密度可上升到2426 mW/m2[5]。在空气阴极MFC中用氨气预处理碳布阳极，可以大幅增强细菌对电极的附着，显著提高功率密度[6]。在单室MFC阳极生物膜覆盖率不同情况下（0，44%，96%）系统产电的研究表明，96%覆盖率下，电池比功率、有机物去除率等优于其它情况，说明阳极的生物膜对于胞外电子传递起到关键作用[7]。
除了常用的碳电极和石墨电极，也有研究者参考厌氧滤池设计理念，在阳极室中采用了不锈钢网作为电极，但实验发现，金属表面的催化性能对产电的影响要大于金属本身的活泼性的影响[8]。
2 阴极
微生物燃料电池的阴极发生的反应为：电子受体与阳极产生的电子、质子结合，生成还原产物。最常见的阴极电子受体为空气中的氧气，这时阴极发生的化学反应为：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e ? H2O。在正常条件下，该阴极还原反应的速率很低，因而对于阴极的研究主要着眼于加速其反应进程，如向电极加入催化剂、采用氧气以外的阴极氧化剂等。
传统的催化剂Pt价格昂贵，且容易中毒失效。空气阴极MFC中，阴极载铂面面向空气和溶液时，最大功率分别为0.144 mW和 1.16 mW，最大输出电压分别为0.400 V和0.500 V。其面向溶液时，阴极内表面形成一层生物膜，库仑效率增加，系统内阻较低[9]。采用FePc和CoTMPP两种催化剂替换原有的传统催化剂Pt，对MFC的阴极进行改性，可获得相当的-
效果[10]。向单室MFC中的空气阴极表面添加碳/聚四氟乙烯涂层，可以改进电极结构并减少阴极渗水；添加4层时，最大功率密度和库仑效率分别增加42%和200%[11]。对单室无介体MFC阴极板中铁离子含量对产电影响的研究发现，电能的输出主要依赖吸附在电极表面的细菌形成的生物膜，而与悬浮在溶液中的细菌基本无关[12]。
高锰酸钾为阴极氧化剂的双室微生物燃料电池中，pH值和高锰酸钾浓度对电池阴极电极电势的影响符合Nernst方程[13]。
对阴极进行优化的一个新方向是采用生物阴极。Chen等在两室MFC中采用了生物阴极，两个月启动期后产电量达19.53 W/m3，但是阴极微生物的功能还不清楚[14]。Zhang等向阳极和阴极分别加入厌氧及好氧污泥进行接种，9天后MFC启动，功率密度可达24.7 W/m3，并提出该电池中阴极为限制因子[15]。
3 膜
膜的概念最早来源于燃料电池，其作用是阻断氧化剂与还原剂的直接接触，从而截获氧化还原反应中产生的电子，实现产电。
质子交换膜是MFC重最常用的膜。对阳离子交换膜（CEM）、阴离子交换膜（AEM）、质子交换膜（PEM）和超滤膜在MFC中的研究表明，AEM获得的功率密度和库仑效率最高。这些膜对低内阻的MFC的最大功率密度有影响，而对高内阻MFC无影响；使用膜的最大优点是增加库仑效率 [16]。虽然在MFC的研究中广泛使用膜，但其价格较高且存在膜污染的问题，从工程经济角度考虑，未来的发展趋势是不再使用膜。
除膜外，盐桥在MFC中也有应用。用盐桥连接的两室MFC研究发现，只有0.25%的COD去除用于产电，其余用于厌氧反应[17]。
4 构型
图2 双室型与单室型微生物燃料电池[2]
微生物燃料电池的基本构型分为双室型和单室型。
微生物燃料电池的最初形式是双室电
池，但由于其内阻较大，同时考虑到电池的放大，已经逐渐向单室电池方向发展。单室微生物燃料电池省去了阴极室，阴极直接与空气接触。单室电池内阻较小，产电性能优于双室电池；但由于其结构所限，库仑效率低于双室电池。在这两种基本形式的基础之上，许多研究者都在对电池构型进行不断地改进。
一种将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的“三合一”膜电极形式的微生物燃料电池，在接种厌氧污泥时，以乙酸自配水产电，最大功率密度约300 mW/m2，库仑效率50%[18]。将阳极和阴极室浸入厌氧反应器制成的浸入式MFC，以醋酸为基质，最大功率密度为204 mW/m2[19]。折板式无膜MFC减轻了阴极附近的氧气混合，并通过加入厌氧污泥，在阴极表面形成了一层厚生物膜，电池库仑效率均在30%以上 [20]。一种基于升流式厌氧污泥床反应器(UASB)的微生物燃料电池，在水力停留时间6h、连续进液、高纯石墨板电极以及均相阳离子交换膜条件下，连续运行3个月，放电功率稳定在145 mW/m2，开路电压0.78 V[21]。
除单独运行的电池外，还有研究者构建了组合式MFC。Liu等构建了一种内部通过阳离子交换膜桥联的MFC组，由两个单电池构成，内阻减半，电压输出加倍，COD去除率由32.4% 增至 54.5%[22]。Shimoyama等研制出一种可放大的盒式电极MFC，包括12个单电池，每个电池室由夹入两个阳极板的阴极板（两面均有空气阴极）构成，阴阳极之间有质子交换膜，容积为1L，整个装置可以加入厌氧反应器[23]。
现有研究结果显示，微生物燃料电池的容积最大在1L左右 [24]。Liu等研究比较了容积28 mL的小型MFC和容积560 mL的大型MFC。两者电极间距分别为4 cm，2.6 cm；阳极比面积25 m2/m3，150 m2/m3。在分批运行中，最大功率密度分别为14 W/m3，16 W/m3；连续运行时，大型MFC最大功率密度达22 W/m3[25]。以葡萄糖为底物，对两种不同电极构型的空气阴极MFC进行了比较研究：电极间距6 cm，直径3.5 cm的MFC，内阻为302.14Ω，最大功率密度为3070 mW/m3；电极间距2 cm，面积40 cm2的MFC，内阻为107.79Ω，最大功率密度达9800 mW/m3，提出影响氧气扩散速率和电子回收的主要因素是阳极和阴极面积的相对比值[26]。 4-4-3 MFC中的产电微生物
在微生物燃料电池中，由于接种物和基质的来源不同，形成的微生物种群也有很大的差异。目前，对于可与电极作用的微生物命名尚未标准化 [27]。微生物燃料电池阳极中，常见的微生物为α-，β-，γ- 以及δ-Proteobacteria，Firmicute，Acidobacteria等[28-30]。
采用污水、污泥接种电池阳极，对混合细菌产电进行的研究较多。在酸性条件下，用选择性培养的产氢混合菌种对合成化学废水产电进行研究，COD去除率62.9%；最大功率输
生物电池篇二：生物燃料电池(MFC)
MFC1. 什么是生物燃料电池（MFC)(07/17/2007)
从生物/微生物中提取电能在20世纪初就被发现,直到20世纪70年代陆续有研究文章发表.1980年开始,一些英国的研究者做了不少关于微生物燃料电池 (microbial fuel cell---MFC)研究,持续了10年. 到90年代末,美国的一些研究者把这个题目找出来逐步"发扬光大"。可能因为能源危机的问题,现在MFC的研究表现的越来越热.在这方面做的比较好的是比利时的一个研究组,他们的电池功率目前是最高的.Penn State的Bruce Logan发表的文章最多. 另外Umass的DR Lovley刚拿到一个huge grant $ 23 M, 估计接下来的几年会做出不少的东西.
MFC和Fuel cell显著的区别就是anode: MFC在anode里用微生物或者生物酶做催化剂,一般没有Pt.因为生物的存在,anode的温度就不可能很高,一般MFC的运行温度在室温和37C之间.燃料则是"有机物",用于microbe生长. microbes在降解有机物(比如葡萄糖)的时候,产生protons 和electrons,其余的原理就和fuel cell一样了.MFC的cathode也用Pt或者其他化学药品(例如ferricyanide) 来促进反应. MFC产生的功率远小于Fuel cell,最高也就是几 W/m2,现在可能提高了一些. 因为MFC和fuel cell应用不同,所以不需要那么高的功率输出. 另外,MFC可能会用于大型反应器,所以anode 的电极不大会用carbon paper,而用一些表面机更大的,象graphite granular;现在计算MFC功率的时候,一般用anode volume (W/m3),而不是电极表面积. MFC 的future application可能是废水处理过程,因为废水可以提供"免费"的有机物让微生物来降解,并且产生电能,一箭双雕. 目前废水处理过程也产生能量,比如甲烷气(methane). 因为methane还需要额外的步骤来发电,而MFC可以一步到位,所以如果MFC可以有high efficiency,比传统的废水处理过程要有不少优势 (如果可以达到高效的话).
MFC2. 微生物燃料电池中生物阴极的应用(09/04/2007)
发展背景
微生物燃料电池(microbial fuel cell - MFC)是一种特殊的电化学电池. 它通过微生物在阳极降解有机物产生电子. 而在阴极, 阳极产生的电子和正离子还原氧气,最终产物为水. 电子从阳极到阴极的传输产生电流. 第一个生物电流的实验证明是在十八世纪晚期,Luigi
Galvani发现,当用金属导体把青蛙腿连接起来的时候, 有电流反应产生. 为了进一步研究生物电流, Michael C. Potter在1911年建立了第一个微生物燃料电池. 1931年, Barnett Cohen发现在阳极加入铁氰化钾 (potassium ferricyanide) 或者苯醌 (benzoquinone) 作为电子传输中介物,可以提高电流. 虽然在二十世纪六十年代微生物燃料电池成为一个研究热点, 但是研究人员还无法成功地建造一个可以持续运行的实验装置. 八十年代,英国的研究人员H. Peter Bennetto 成功利用单种细菌和电子传输中介物通过氧化有机物来发电. 同时, 日本的研究人员发现光合自养型的细菌可以把光能转化成电能. 在过去的十年中,因为全球能源危机问题, 微生物燃料电池引起了越来越广泛的关注. 研究的方向包括理解电子传输的机理和建造实用的反应器装置.
非生物阴极
非生物阴极大多利用氧气为最终电子接收物,也有研究过氧化氢作为阴极氧化物. 因为氧气还原效率在碳/石墨表面很低, 所以通常情况下,阴极反应需要催化剂或者电子传输中介物. 铂是目前使用最广泛的阴极催化剂,但是其材料昂贵, 催化性能容易被一些特殊物质污染.另外, 微生物燃料电池阴极溶液的pH值会随反应而升高, 从而限制铂的催化能力. 电子传输中介物大多是一些含有过渡金属的化合物,比如含铁和钴的物质.
生物阴极
传统的微生物燃料电池是”半生物性的”,因为只有阳极存在生物反应,而阴极通常采用金属催化剂来完成还原氧气的反应. 但是, 微生物在阴极的生长是不可避免的. 研究人员已经发现了几种在阴极的生物新陈代谢过程,为研究生物阴极开启了大门. 相比于非生物阴极,生物阴极有如下优点: (一) 建造和运行微生物燃料电池的费用可能被降低,因为不再需要贵重金属催化剂, 也不需要添加化合物来作为电子传输中介; (二) 生物阴极可以提高微生物燃料电池的可持续性; (三) 生物阴极里的微生物活动可以被用来产生有用的物质或者去处污染物. 总的说来,生物阴极可以被分为好氧(氧气为最终电子接受物)和厌氧(其他非氧气物质为最终电子接受物)生物阴极.
好氧生物阴极
氧气是应用最广泛的阴极电子接受物. 氧气有很高的氧化还原电位, 而且大量存在于空气中,降低了使用费用. 好氧生物阴极的一个研究重点是利用过渡金属化合物, 包括锰和铁,协助电子从阴极传输过氧气. 高价位的金属充当临时电子接受物, 从阴极接受电子,通过微生物的”呼吸作用”被还原成低价位金属. 然后低价位的金属被氧气氧化回到高价位, 将电子传输给氧气. 在这个循环过程中,电子从阴极被传送到氧气. 另一种好氧生物阴极则是通过藻类的光合作用为阴极反应提供氧气. 实际应用中, 上述的这些机理可能同时发生. 例如, 研究人员发现海洋生物膜可以提高氧气还原效率. 在这个过程中, 锰化物可能参与电子传输; 另外,藻类的生长也不可避免.
厌氧生物阴极
在没有氧气的时候,其他物质, 例如硝酸盐,硫酸盐,铁化物和锰化物, 也可以作为最终电子接受物. 其中, 硝酸盐,铁化物和锰化物具有接近氧气的新陈代谢活性,是潜在的替代氧气的阴极电子接受物. 厌氧生物阴极的一个优点就是可以防止氧气通过正离子交换膜渗透到阳极,从而影响到阳极的厌氧微生物生长. 目前为止, 只有硝酸盐和硫酸盐被用于研究. 硝酸盐 (+0.74Ｖ)的氧化还原电位比硫酸盐（-0.22V）更接近氧气(+0.82V), 所以更适合做为阴极电子接受物. 利用硝酸盐进行阴极反应, 与硝化反应类似,唯一不同的地方是, 硝化反应通过氧化有机物得到电子, 而生物阴极则依靠阴极供给电子. 比利时的研究人员已经成功将硝酸盐用于阴极的还原反应, 为微生物燃料电池应用在污水处理中的可行性提供了进一步的实验证明.
小结
生物阴极是一项使微生物燃料电池更具优势和可持续性的技术. 在实现这项技术之前, 我们必须理解阴极的生物电子传输机制, 以便于更合理地选择和利用微生物.
MFC3. 微生物燃料电池中的共生现象(09/18/2007)
共生现象在自然界普遍存在, 比如动物体内的寄生细菌降解一些动物肠胃无法消化的物质,同时也获取用于自身生长的能量. 再比如, 一种小鸟从鳄鱼的嘴中获取食物, 即帮助鳄鱼清洁了牙齿,同时也利用鳄鱼的嘴做为保护自己的场所, 两者和睦相处. 共生现象有几种类别, 有双方彼此都受益的,也有一方受益另一方不受益, 甚至还有一方受益而另一方受害的. 在废水处理中, 也存在共生现象. 一个典型的代表就是厌氧消化过程中,发酵细菌将复杂的碳水化合物分解成相对简单的有机物(酸). 这些发酵产物随后被其他细菌消食, 例如,
醋酸化合物可以被甲烷菌(注: 严格意义上, 甲烷菌不是细菌-bacteria, 而是archaea)利用产生甲烷气体. 微生物燃料电池的阳极类似于废水处理中的厌氧消化过程, 因此, 微生物之间的共生现象不可避免. 最近, 宾州州立大学和麻省大学艾莫斯特分校的研究人员先后发表论文, 从不同的角度研究和探讨了阳极的共生现象.
宾州州立大学的研究人员利用细菌Clostridium cellulolyticum分解纤维素, 其产物被另一种细菌Geobacter sulfurreducens用于厌氧呼吸(anaerobic respiration), 产生电子和电流. 纤维素是一种富含有机物的生物物质, 也是一种潜在的生物能源(bioenergy)的载体. 但是它很难被直接利用,需要进行预处理和水解成为简单的碳水化合物,比如葡萄糖. 只有很少的一些微生物(bacteria and fungi)或者特殊的生物酶可以水解纤维素, 产物包括氢气, 醋酸物和乙醇. Clostridium是一种专性厌氧细菌, 因其降解纤维素的特殊能力而受到工业届的广泛重视. 在这项研究中, 科研人员设计了对照实验, 证明C. cellulolyticum可以分解纤维素,但无法产生电流; G. sulfurreducen无法利用纤维素生长,因而也没有电流产生. 但是,当把两种细菌混合起来的时候,微生物燃料电池产生出了电流. 而且, 当G. sulfurreducen存在的时候, 纤维素(carboxymethyl cellulose-CMC)的降解效率比C. cellulolyticum单独生长的时候提高了18%. 这项研究的创新之举在于首次利用特殊的细菌在微生物燃料电池降解非水溶性的有机物, 并且用实验展示了两种细菌在发电过程中的共生关系. 此外, 实验结果也进一步论证了发酵过程和厌氧呼吸过程的结合可能比单一菌种的活动更加有利于能量的产生.
麻省大学艾莫斯特分校的研究则是关于两种都可以进行厌氧呼吸,利用三价铁做为电子接受物的细菌, Geobacter sulfurreducens和Pelobacter carbinolicus. 前者是已知的可以发电的细菌, 而后者被大量发现于建立在水沉积物中的微生物燃料电池的阳极上. 通常意义上, 可以还原三价铁氧化物的细菌都可以利用阳极作为电子接受物, 但是实验结果表明P. carbinolicus基本不具备这样的能力. 科研人员发现, 当乙醇作为微生物燃料电池的燃料, G. sulfurreducens不能够代谢这种燃料; P. carbinolicus可以将乙醇用于生长,但是不能产生电流. 混合生长的时候, 乙醇被P. carbinolicus转化为氢气和醋酸物, 然后G. sulfurreducens利用这些产物发电. 共焦显微镜(confocal)和对16S rRNA基因的分析表明, 两种细菌在阳极表面的数量几乎相等, 但是在阳极水溶液中, 绝大多数是P. carbinolicus. P. carbinolicus是第一种可以还原三价铁氧化物却不能在微生物燃料电池中产生电流的细菌. 与其他可以产生电流的细菌相比, P. carbinolicus缺乏外细胞膜的细胞色素(cytochrome), 一种被认为是连接细胞内部和阳极的可导电的蛋白质.
微生物燃料电池研究的一个关键问题就是理解阳极微生物的活动和它们之间的相互作用. 利用单一菌种(pure culture)来研究共生现象将对认识阳极微生物的新陈代谢和电子传输过程有重要的帮助.
MFC 4. 沉积物微生物燃料电池
工作原理
沉积物微生物燃料电池 (Sediment Microbial Fuel Cell) 的工作原理与微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell) 类似, 但是反应器结构要简单很多. 在沉积物微生物燃料电池中, 作为阳极的电极被埋在水底沉积物的浅层中 (1-10厘米深), 而作为阴极的电极则悬于阳极上方的水中. 不同于常规的微生物燃料电池, 沉积物微生物燃料电池不需要使用离子交换膜将阳极和阴极分开, 而是利用水中溶解氧浓度由浅至深逐渐减少自然地把阳极和阴极分成缺氧区和有氧区. 因此, 在沉积物和水体的界面上自然形成了一个氧化还原的梯度, 使阴, 阳电极之间可以产生大约0.7 V的开路电压. 水底沉积物含有多种厌氧细菌, 可以将经过多
年沉降积累的有机物分解, 并把电子传输给阳极. 而悬在含溶解氧相对高的水中的阴极则接受电子, 完成氧气还原反应. 一些特殊的沉积物微生物燃料电池采用牺牲阳极和生物阴极 (参见下文).
优缺点
沉积物微生物燃料电池的优点就是结构简单, 不需要太多的维护, 建造和运行费用低. 在自然水体中的长期运行会在阴极形成生物膜, 有可能帮助氧气还原反应. 但是,沉积物微生物燃料电池一般都不使用阴极催化剂, 而且沉积物中的有机物含量有限, 所以其功率输出也很有限. 沉积物微生物燃料电池的运行条件不象其他微生物燃料电池那样得到严格的控制, 在自然条件下会产生波动, 也会影响到功率输出. 此外, 因为水中溶解氧浓度随着水深不断降低, 沉积物微生物燃料电池不可能应用于太深的水体中, 也就是说, 不可能应用于离陆地太远的水体中. 华盛顿大学 (圣路易斯) 的研究人员设计了一种可旋转的阴电极, 希望利用水流或者海潮来推动阴极旋转, 通过旋转将空气中的氧气带入水中, 提高阴极附近的溶解氧浓度.
实际应用
因为输出功率低, 沉积物微生物燃料电池的应用大多是为远程监测仪器提供电能. 这类电子设备不需要太高的电能, 也不需要频繁地维护. 尽管如此, 它依然是微生物燃料电池中最有可能在短期内投入到实际应用中的一种. 美国海军研究实验室已经研制开发了一种沉积物微生物燃料电池, 称为 Benthic Unattended Generator, 简称BUG. 这种BUG被放置在河水或者海水底部, 为监测空气温度, 气压, 相对湿度和水温的电子仪器提供电能, 数据通过无线发射器 (也由 BUG 提供电能) 传输到附近的海军研究实验室. 蒙大拿州立大学的研究人员设计了一种由金属镁作为牺牲阳极, 和生物沉积锰化物作为阴极的沉积物微生物燃料电池. 该电池被设置在河底, 为一个无线传感器提供电能. 随着对微生物燃料电池的认识的不断加深和越来越广泛的新材料应用, 沉积物微生物燃料电池还可能被用做生物修复, 或者生态修复的一种手段.
MFC5 微生物燃料电池阳极的电子传输机制
生物燃料的前景因其潜在的环境影响和原材料来源等问题受到科学届的质疑. 但是, 随着储量有限的fossil fuel不断消耗, 寻求可再生能源成为全球性的紧急问题. 未来可替代性的能源组成应该是多元化的, 能源需求应该被多种形式分担, 既包括某些可提供大规模长期能源的形式, 也包括可提供局部小规模需求的形式.
微生物燃料电池 (microbial fuel cell – MFC) 是一种新型的”废水 – 能源” 转化方式. MFC的”原材料”是废水和废物, 不存在与人类争夺粮食(比如,生物乙醇的生产)的问题; 其过程也是清洁环境的过程, 因此它的环境影响是积极的. MFC不可能成为主要的能源提供者, 但是满足局部小规模的能源需求还是可行的. 目前, MFC研究的最主要问题就是理解微生物与电极(阳极; 绝对大部分阴极都是非生物性的)之间的相互作用(电子传输过程), 这是进一步提高MFC功率输出的基础. 虽然具体的电子传输机制还不是十分清楚, 但是在大体上,研究人员总结了两种电子传输机制: 直接电子传输(direct electron transfer – DET) 和间接电子传输(mediated electron transfer – MET). 笔者认为, 电子传输机制还可以按照另一种方式分类: 微生物的新陈代谢过程, 即, 微生物是否通过电子传输获得自身生长的能量. 电子传输实际上就是微生物的呼吸过程(respiration). 就好象人要通过呼吸氧气生存,微生物也需要通过”呼吸过程”获得生长的能量. 在这个过程中, 微生物分解有机和无机物质(electron donor), 产生电子, 并传输到最终电子接受物(terminal electron acceptor). 对于好氧微生物
来说, 最终电子接受物为氧气; 而厌氧微生物的最终电子接受物为(亚)硝酸盐,(亚)硫酸盐, 金属化合物和二氧化碳等等. 在MFC的阳极,电子接受物则为电极.
当微生物可以通过”呼吸”阳极获得生长的能量, 同时产生电流时, 它们可以通过DET或者MET 来传输电子. 在DET过程中, 细菌和电极有直接的接触,并利用细胞外膜的可导电性的蛋白质作为电子中介物,将电子传输到电极上. 研究人员发现, Geobacter的一些菌种在利用电极生长的时候, 某些细胞外膜蛋白(outer membrane protein)有很高的表达, 意味着这些蛋白质可能做为电子传输的中介物. 此外, Geobacter 和 Shewanella的某些菌种会产生一种可导电的纳米线(nanowire),既可以连接临近的细菌形成生物膜结构, 还可以传导细菌新陈代谢产生的电子. 通过nanowire, 距离电极一定距离的细菌也有可能参与到MFC的电流产生过程中. MET是另一种主要的电子传输过程, 因为可以利用电子中介物质(electron mediator)传输电子, 细菌不需要和电极有直接的接触. 早期的研究主要通过添加人工合成的化学物质来提高电流输出, 间接证明了电子中介物质的作用. 近年来, 研究人员发现
Pseudomonas aeruginosa 可以产生自己的电子中介物 - pyocyanin. 当相关的基因被删除后, 电流产量下降很多. 阳极可以诱导pyocyanin的产生. 细菌重复利用这种电子中介物至少11次.
在阳极生长的微生物中, 也有很多细菌不能进行”电极呼吸”, 但是它们可以通过新陈代谢的产物间接地参与到电流产生的过程中. 这些产物可以和阳极进行非生物性反应, 从而产生电子以及电流. 在对Bacteroides thetaiotaomicron的研究中, 科研人员发现, 当这种细菌在阳极生长的时候, MFC的电流显著增长, 减缓细菌生长的同时也降低了电流产生. 但是, 基因芯片(DNA Chip)的对比分析显示, 无论细菌是否生长在MFC的阳极上, 其基因表达都没有显著差别, 表明这种细菌不能利用阳极作为电子接受物, 因而也不可以进行”电极呼吸”. 其生长与电流产生之间的关系, 可能是由于新陈代谢产物与电极之间的非生物反应形成的. 对于研究电子传输机制, 使用单一菌种有很多优势. 但是, 在一个复杂的阳极环境中(含有多种微生物的菌群), 电子传输的机制不是唯一的, 可能是上述几种过程的混合.
前言
生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。它利用生物催化剂将化学能转变为电能,所以除了在理论上具有很高的能量转化效率之外,还有其它燃料电池不具备的若干特点:
①原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等[ 1 ] ;
②操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低、安全性强;
③生物相容性。利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。
1911 年,英国植物学家Potter 用酵母和大肠杆菌进行实验,宣布利用微生物可以产生电流,生物燃料电池研究由此开始。40 多年之后,美国空间科学研究促进了生物燃料电池的发展,当时研究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的生物燃料电池。在这一时期,生物燃料电池的研究得以全面展开,出现了多种类型的电池。但占主导地位的是间接微生物电池,即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质,然后再将这些物质通入燃料电池发电。从60 年代后期到70 年代,直接生物燃料电池逐渐成为研究的中心。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的生物燃料电池。这种电池多是以葡萄糖为燃料,氧气为(转 载 于:wWw.HnnsCY.cOM 博文学习网:生物电池)氧化剂的酶燃料电池。正当研究取得进展的时候,另一种可植
生物电池篇三：生物质燃料电池
杨航锋 化学工程 2111506055
生物质燃料电池
按燃料电池的原理，利用生物质能的装置。可分为间接型燃料电池和直接型燃料电池。
在间接型燃料电池中，由水的厌氧酵解或光解作用产生氢等电活性成分，然后在通常的氢－氧燃料电池的阳极上被氧化。
在直接型燃料电池中，有一种氧化还原蛋白质作为电子由基质直接转移到电极的中间物。如利用N，N，N'，N'－四甲基－P－苯氨基二胺作为介质，由甲醇脱氢酶和甲酸脱氢酶所催化的甲醇的完全氧化作用，可用来产生电流。
生物燃料电池尚处于试验阶段，已可提供稳定的电流，但工业化应用尚未成熟。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。
生物燃料电池（biofuelcell）：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。生物燃料电池可以分为直接使用酶的酶燃料电 池和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池
生物燃料电池能量转化效率高怛一、生物相容性好、原料来源广泛、可以用多种天然有机物作为燃料，是一种真正意义上的绿色电池。它在医疗、航天、环境治理等领域均有重要的使用价值，如糖尿病、帕金森氏病的检测、辅助治疗b’4 o以及生活垃圾、农作物废物、工业废液的处理等。同时生物原料贮量巨大、无污染、可再生，因此生物燃料电池产生的电能也是一个潜力极大的能量来源。它可以直接将 动物和植物体内贮存的化学能转化为能够利用的电能。近年来随着对可再生能源和人体医疗技术发展的要求，生物燃料电池逐渐引起更广泛的关注。
1.酶生物燃料电池
在酶燃料电池中，酶可以与介体一起溶解在底 物(燃料)中，也可以固定在
电极上。后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。 在早期的生物燃料电池系统中，更多地用气体扩散电极与酶阳极或阴极相匹配M’70，用两种不同酶电极的酶燃料电池较少。近年来，随着修饰酶电极技术的发展，大多数酶燃料电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外，使用固定酶电极的酶 燃料电池为了防止两电极间电极反应物与产物的相互干扰，一般将正、负电极用质子交换膜分隔为阴极区和阳极区，即两极室酶燃料电池，这与传统电池阴极／隔膜，阳极的结构相仿。1999年出现的无隔膜酶燃料电池，取消了隔膜、电池外壳和相应的密封结构，可更方便地制备微型、高比能量的酶生物燃料电池。
2.微生物燃料电池
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；
如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。
2.1 微生物燃料电池的优势
与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势： 首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率； 其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作； 第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的
主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量； 第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体； 第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。
3.Yulin Deng教授的研究
直接利用生物质发电时一项充满挑战但非常具有应用前景的工作。其中最大的问题就是分解氧化C–C键，即使是贵金属催化剂也很难实现直接将C-C键氧化成CO2的直接转化。例如，使用贵金属催化剂也很难将很小的乙醇等通过2电子过程氧化成乙醛或者通过4电子过程氧化成乙酸。相比12电子全部氧化成CO2的过程,它们的转化效率只有16.7和33.3%。而对于大分子的生物质而言，其实现起来更加困难。目前能够实现生物质直接转化的技术主要有高温固体氧化物燃料电池和微生物燃料电池。而这些技术在现实中也面临很多问题，如催化剂毒化，转化效率低，功率密度低等一系列问题。
邓教授课题组通过对传统燃料电池系统进行理念上的创新，在低温下实现了生物质高效发电。在新系统中，生物质原料被磨碎后与一种多金属氧酸盐（POM）催化物溶液相混合，之后被置于阳光或热辐射下。作为一种光化学和热化学催化剂，POM既是氧化剂也是电荷载体。在光辐射或热辐射下，POM会使生物质发
生氧化，将生物质的电荷运送到燃料电池的阳极，而电子则会被输送到阴极，在阴极进行氧化反应，通过外电路产生电流。邓玉林表示，如果只是在室温中将生物质和催化剂混合，它们将不会发生反应。但一旦将其暴露在光或热中，反应就会马上开始。
实验显示，这种燃料电池的运行时间长达20小时，这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦，比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍，接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓教授认为，在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间，未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。而他们最近的工作又将性能提高到了100 mW/cm2,接近于传统的直接醇燃料电池。
Yulin教授研究的燃料电池属于间接生物燃料电池，以多金属氧酸盐POM为催化剂，在电解液中反应，电子由具有氧化还原活性的POM再运载到电极中区，形成电子的流动。
总结
生物燃料电池作为一种新能源的实际应用还比较遥远,主要是因为它的输出功率密度远不能满足要求.按照Marcus和Sotin提出的理论,电子传递速率是由电势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定的[29],决定生物燃料电池输出功率密度的主要因素是相关的电子传递过程,也就是说,生物体系缓慢的电子传递速率是生物燃料电池发展的瓶颈.理论和实验都表明,随着电子传递途径距离的增加,电子传递速率呈指数下降的趋势.酶分子蛋白质的外壳对从活性中心到电极的直接电子传递产生了屏蔽作用,引入介体一定程度上可提供有效的电子传递通道.然而,有时这样做无形之中又增大了电子传递的途径距离,其总体的效果还不令人满意.因而最理想的是通过借鉴生物电化学领域的直接电子传递的研究成果,在生物燃料
电池中实现直接的电子传递,从而提高输出功率.目前,实现直接的电子传递主要有以下几种
随着生物和化学学科交叉研究的深入,特别是依托生物传感器和生物电化学的研究进展,以及对修饰电极、纳米科学等研究的层层深入,生物燃料电池研究必然会得到更快的发展.作者深信,生物燃料电池作为一种绿色环保的新能源,在生物医学等各个领域的应用的理想必然会实现。