微生物燃料電池

1、微生物燃微生物燃 料電池料電池 基本概念： 燃料電池（fuel cell）：一種將儲存在燃料 和氧化劑中的化學能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電 能的電化學裝置。 微生物燃料電池（microbial fuel cell簡寫MFC）， 是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學能 轉(zhuǎn)化為電能的裝置。主要分為雙室MFC和單室 MFC。雙室MFC由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成，中間用 質(zhì)子交換膜分開。而單室MFC即省去了陰極區(qū)， 陽極和陰極在同一個室內(nèi)工作。 有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生 物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電 池陽極，電子

2、通過外電路到達陰極，從而形成池陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成 回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰 極，與電子受體極，與電子受體 （氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極（氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極 和陰極反應(yīng)式如下所示：和陰極反應(yīng)式如下所示： 陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+ 陰極反應(yīng)：陰極反應(yīng)： 4e-O24H+ 2H2O 微生物燃料電池（微生物燃料電池（MFC）的基本工作原理：）的基本工作原理： PEM 負載負載 陽極室陽極室陰極室陰極室 O2 CO2 H+ e- e- e- H2O e- H+有機物有機物 微生物

3、微生物 圖圖1.生物燃料電池工作原理 MFC 陽極陰極 非生物陰極生物陰極 好氧型生物陰 極 厭氧型生物陰 極 膜 陽極 從MFC的構(gòu)成來看，陽極擔負著微生物附著并傳 遞電子的作用，可以說是決定MFC產(chǎn)電能力的重 要因素，同時也是研究微生物產(chǎn)電機理與電子傳 遞機理的重要的輔助工具?，F(xiàn)在，MFC陽極主要 是以碳為主要材料，包括碳紙、碳布、石墨棒、 碳氈、泡沫石墨以及碳纖維刷。 陽極是微生物氧化分解有機物的場所，所以微生 物的量也就能影響產(chǎn)電量。因此陽極材料的選擇 主要就是考慮材料的比表面積、此外，陽極除了 材料還有關(guān)注的重點就是陽極附著的微生物。 目前已知的產(chǎn)電微生物有希瓦氏菌、假單胞菌、泥細菌

4、 等。但是在應(yīng)用范圍內(nèi)，很少使用純菌，而多數(shù)使用的 為混合菌群。相較與純菌，混合菌具有阻抗環(huán)境沖擊能 力強、利用基質(zhì)范圍廣、降解底物速率和能量輸出效率 高的優(yōu)點。通常使用的是厭氧發(fā)酵液、河道的厭氧底泥 以及污水處理廠的厭氧活性污泥。 膜 質(zhì)子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔 膜，理想的材料是只允許質(zhì)子透過，而基質(zhì)、細 菌和氧氣等都被截留的微孔材料。 現(xiàn)在試驗中大多選用的是質(zhì)子交換膜PEM。 陰極 最新的研究表明，陰極是制約MFC產(chǎn)電的主要原 因之一。最理想的陰極電子受體應(yīng)當是氧氣，但 是從氧氣的還原動力學來看，氧氣的還原速度較 慢，這直接影響了MFC的產(chǎn)電性能。于是在陰極 加入各種催化劑

5、來提高氧氣的還原速率的研究開 始了。根據(jù)陰極催化劑的種類可以將MFC陰極分 為非生物陰極和生物陰極。 根據(jù)陰極催化劑的種類可以將MFC陰極分為 非生物陰極和生物陰極 非生物陰極常用的催化劑 主要有Pt、過渡金屬元素 等。目前，Pt是使用的最 為廣泛的高效催化劑，有 研究表明，用Pt催化電極 反應(yīng)可以使MFC的產(chǎn)電性 能提高近4倍。 非生物陰極雖然能顯著提 高MFC產(chǎn)電性能，但是其 成本高、穩(wěn)定性差、也容 易造成催化劑污染。 與非生物型陰極相比，生 物陰極具有的優(yōu)點： 1.可以顯著降低MFC建造的 成本 2.能夠避免出現(xiàn)催化劑中毒， 提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性 3.利用某些特定微生物的代 謝可以去除水

6、中的多種污 染物，例如生物反硝化 生物陰極根據(jù)最終電子受體的不同，也可細分為好 氧型生物陰極和厭氧型生物陰極 好氧型生物陰極 二氧化錳也能作為直 接的電子受體，在 MFC的陰極表面沉積 一層MnO2，利用 MnO2的電化學還原和 生物再氧化過程 厭氧型生物陰極 在厭氧條件下，許多 化合物，如硝酸鹽、 硫酸鹽、尿素和二氧 化碳等都可以作為電 子受體。利用厭氧生 物陰極代替需氧生物 陰極的一大優(yōu)勢是可 以阻止氧通過PEM擴 散到陽極，防止氧氣 消耗電子導致庫倫效 率下降。 MFC的最新研究方向 微生物電解池（MEC），一種新型的利用廢水產(chǎn)氫技術(shù)。 由于產(chǎn)電細菌能夠釋放電子，所以可以利用MFC形式的 反應(yīng)器進行產(chǎn)氫。微生物氧化底物釋放電子，這些電子 與同步產(chǎn)生的質(zhì)子結(jié)合形成氫氣，但是這個過程無法自 行完成，需要一個電化學來輔助其產(chǎn)氫氣。即在電路中 施以外加