微生物燃料電池(1)

1、微生物燃料電池微生物燃料電池 Microbial Fuel Celln解決當(dāng)前日趨嚴(yán)重的解決當(dāng)前日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染環(huán)境污染問題和探尋問題和探尋新的產(chǎn)能方新的產(chǎn)能方式式是關(guān)系人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問題。是關(guān)系人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問題。微生物燃料電池微生物燃料電池n微生物燃料電池微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell, 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱MFC)是是以微生物為主體，在陽極將有機(jī)物燃料氧化，并將電以微生物為主體，在陽極將有機(jī)物燃料氧化，并將電子捕獲，通過電極將其傳遞至陰極，進(jìn)而產(chǎn)生電流，子捕獲，通過電極將其傳遞至陰極，進(jìn)而產(chǎn)生電流，最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。最終實(shí)

2、現(xiàn)化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。具有具有產(chǎn)電產(chǎn)電與與廢棄物處置廢棄物處置的雙重功效。的雙重功效。微生物燃料電池代表了當(dāng)今最前沿的廢棄物資源化微生物燃料電池代表了當(dāng)今最前沿的廢棄物資源化利用方向之一，其研究受到了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，利用方向之一，其研究受到了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，有望成為未來有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)。有望成為未來有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)。發(fā)展歷史發(fā)展歷史n1.1.早在早在19101910年，英國(guó)植物學(xué)家年，英國(guó)植物學(xué)家馬克馬克比特比特首次發(fā)現(xiàn)了首次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，于是，他用鉑做電極，細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，于是，他用鉑做電極，把它放進(jìn)大腸桿菌和普通酵母菌

3、培養(yǎng)液里，成功制造把它放進(jìn)大腸桿菌和普通酵母菌培養(yǎng)液里，成功制造出了世界第一個(gè)微生物燃料電池；出了世界第一個(gè)微生物燃料電池；n2.2.19841984年，美國(guó)制造了一種能在外太空使用的微生物年，美國(guó)制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池，它的燃料為宇航員的尿液和活細(xì)菌，不過燃料電池，它的燃料為宇航員的尿液和活細(xì)菌，不過它的放電率極低；它的放電率極低；n3.1991 年開始出現(xiàn)使用微生物燃料電池處理生活污水年開始出現(xiàn)使用微生物燃料電池處理生活污水的范例，然而，直到最近幾年用的范例，然而，直到最近幾年用MFCMFC處理處理生活污水生活污水得到得到的電池功率才有所增強(qiáng)；的電池功率才有所增強(qiáng)；n4.

4、 .近幾年近幾年, MFC, MFC的研究已經(jīng)成為治理和消除環(huán)境污染源的研究已經(jīng)成為治理和消除環(huán)境污染源,開發(fā)新型能源研究工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。開發(fā)新型能源研究工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。MFC的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn)與常規(guī)燃料電池相比，與常規(guī)燃料電池相比，MFC以微生物代替昂貴的化學(xué)催化劑，以微生物代替昂貴的化學(xué)催化劑，因而具有更多優(yōu)點(diǎn)：因而具有更多優(yōu)點(diǎn)：u燃料來源廣泛燃料來源廣泛，尤其可利用有機(jī)廢水等廢棄物；，尤其可利用有機(jī)廢水等廢棄物；u反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和，常溫常壓下即可運(yùn)行；，常溫常壓下即可運(yùn)行；u環(huán)境友好環(huán)境友好，所產(chǎn)生的物質(zhì)主要是所產(chǎn)生的物質(zhì)主要是CO2和和H2O，無酸、堿、，無酸、堿、重金屬

5、等污染物產(chǎn)生，重金屬等污染物產(chǎn)生，無需對(duì)其產(chǎn)物做任何后處理無需對(duì)其產(chǎn)物做任何后處理；u因能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，故因能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，故理論轉(zhuǎn)化效率較高理論轉(zhuǎn)化效率較高。 有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽極有機(jī)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池陽極，電微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達(dá)陰極，從而形成子通過外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與電子受體換膜到達(dá)陰極，與電子受體 （氧氣）（氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)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負(fù)載負(fù)載陽極室陽極室陰極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機(jī)物有機(jī)物微生物微生物圖圖1.微生物燃料電池工作原理Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell4e-O24H+ 2H2O(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)陰極反應(yīng) 圖圖2. 2. 微生物燃料電池陽極電子傳遞機(jī)制示意圖微生物燃料電池陽極電子傳遞機(jī)制示意圖:A.:A.直接接直接接觸觸;B.;B.納米導(dǎo)線納米導(dǎo)線;C.;C.氧化還原介體氧化還原介體;D.;D.還原

7、態(tài)初級(jí)代謝產(chǎn)物原位氧化還原態(tài)初級(jí)代謝產(chǎn)物原位氧化陽極產(chǎn)生電子的機(jī)理陽極產(chǎn)生電子的機(jī)理陽極材料陽極材料l陽極擔(dān)負(fù)著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說是決定陽極擔(dān)負(fù)著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說是決定MFCMFC產(chǎn)電能力的重要因素，同時(shí)也是研究微生物產(chǎn)電機(jī)理與產(chǎn)電能力的重要因素，同時(shí)也是研究微生物產(chǎn)電機(jī)理與電子傳遞機(jī)理的重要的輔助工具。電子傳遞機(jī)理的重要的輔助工具。l現(xiàn)在，現(xiàn)在，MFCMFC陽極是微生物附著的主要場(chǎng)所，其量的多少直接陽極是微生物附著的主要場(chǎng)所，其量的多少直接關(guān)系到產(chǎn)電能力的大小，其關(guān)系到產(chǎn)電能力的大小，其必要條件是具有必要條件是具有高導(dǎo)電率、高高導(dǎo)電率、高比表面積、高孔隙率、

8、廉價(jià)易造且可回收等比表面積、高孔隙率、廉價(jià)易造且可回收等。主要是以主要是以碳碳為主要材料，包括為主要材料，包括碳紙、碳布、石墨棒、碳?xì)?、泡沫石墨碳紙、碳布、石墨棒、碳?xì)?、泡沫石墨以及碳纖維刷。以及碳纖維刷。目前對(duì)陽極的研究主要是目前對(duì)陽極的研究主要是u對(duì)導(dǎo)電材料的改性對(duì)導(dǎo)電材料的改性u(píng)加入其他的催化劑加入其他的催化劑碳紙，碳布，泡沫碳紙，碳布，泡沫痰及玻璃電極。痰及玻璃電極。石墨棒，石墨板l1.對(duì)材料的改性對(duì)材料的改性lZeikus等等1報(bào)道了用報(bào)道了用石墨石墨陽極固定微生物來增加電流密度陽極固定微生物來增加電流密度, 然后用然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+來改性

9、石墨作為陽極。結(jié)來改性石墨作為陽極。結(jié)果表明，這些改性陽極產(chǎn)生的電流功率是平板石墨的果表明，這些改性陽極產(chǎn)生的電流功率是平板石墨的115212倍。倍。lZhang等等2報(bào)道了在報(bào)道了在石墨石墨中加入中加入聚四氟乙烯聚四氟乙烯( PTFE) 作為作為MFC的陽的陽極極,研究表明研究表明,PTFE 的含量影響了的含量影響了MFC的電流產(chǎn)生的電流產(chǎn)生,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的的PTFE可以獲得的最大功率為可以獲得的最大功率為760 mW/ m2。lCheng等將用等將用氨氣氨氣預(yù)處理過的預(yù)處理過的碳布碳布作為作為MFC 的陽極的陽極,結(jié)果表明結(jié)果表明,預(yù)預(yù)處理過的碳布產(chǎn)生的功率為處理過的碳布產(chǎn)生

10、的功率為1640 mW/ m2 ,要大于未預(yù)處理過的功率要大于未預(yù)處理過的功率,并且并且MFC 的啟動(dòng)時(shí)間縮短了的啟動(dòng)時(shí)間縮短了50 %。l2 .加入其他催化劑加入其他催化劑lQiao等報(bào)道了用等報(bào)道了用碳納米管碳納米管/ 聚苯胺聚苯胺(CNT/ PANI)作為作為MFC 陽極。陽極。lKargi 等用等用銅銅和和銅銅- 金金導(dǎo)線來代替石墨電極作為導(dǎo)線來代替石墨電極作為MFC 的陽極的陽極,結(jié)結(jié)果發(fā)現(xiàn)果發(fā)現(xiàn),隨著陽極表面積的增大隨著陽極表面積的增大,產(chǎn)生的電流和功率也隨之增大。產(chǎn)生的電流和功率也隨之增大。lRosenbaum等研究了用等研究了用碳化鎢碳化鎢作為微生物燃料電池的陽極作為微生物燃料

11、電池的陽極,獲得獲得了不錯(cuò)的效果了不錯(cuò)的效果,其電化學(xué)活性和化學(xué)穩(wěn)定性作為微生物燃料電池其電化學(xué)活性和化學(xué)穩(wěn)定性作為微生物燃料電池的陽極是適合的。的陽極是適合的。陽極除了材料之外，還需要關(guān)注的重點(diǎn)就是陽極除了材料之外，還需要關(guān)注的重點(diǎn)就是陽極附著的微生物陽極附著的微生物。目前已知的產(chǎn)電微生物主要包括目前已知的產(chǎn)電微生物主要包括希瓦氏菌希瓦氏菌（Shewanella）、地桿菌（地桿菌（Geobactor）以及）以及假單胞菌假單胞菌、泥細(xì)菌泥細(xì)菌等。但是在應(yīng)用范圍內(nèi)，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。很少使用純菌，而多數(shù)使用的為混合菌群。相較與純菌，混合菌具有相較與純菌，

12、混合菌具有阻抗環(huán)境沖擊能力阻抗環(huán)境沖擊能力強(qiáng)、利用基質(zhì)范圍廣、降解底物速率和能量強(qiáng)、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(diǎn)。輸出效率高的優(yōu)點(diǎn)。陽極附著微生物陽極附著微生物離子交換膜離子交換膜質(zhì)子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔膜，質(zhì)子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是理想的材料是只允許質(zhì)子透過，而基質(zhì)、細(xì)菌和氧只允許質(zhì)子透過，而基質(zhì)、細(xì)菌和氧氣等都被截留的微孔材料氣等都被截留的微孔材料。在試驗(yàn)中大多選用的是在試驗(yàn)中大多選用的是質(zhì)子交換膜（質(zhì)子交換膜（PEM）。陰極材料陰極材料陰極的設(shè)計(jì)是陰極的設(shè)計(jì)是MFC使用和升級(jí)的一個(gè)最大挑戰(zhàn)。前面提使用和升級(jí)的一個(gè)最大

13、挑戰(zhàn)。前面提到的陽極材料同樣可以適用于陰極，不過陰極材料在使到的陽極材料同樣可以適用于陰極，不過陰極材料在使用時(shí)需要添加催化劑，因?yàn)殡娮邮荏w在陰極還原速率比用時(shí)需要添加催化劑，因?yàn)殡娮邮荏w在陰極還原速率比較慢。最理想的陰極電子受體應(yīng)當(dāng)是較慢。最理想的陰極電子受體應(yīng)當(dāng)是氧氣氧氣，但是從氧氣，但是從氧氣的還原動(dòng)力學(xué)來看，的還原動(dòng)力學(xué)來看，氧氣的還原速度較慢，這直接影響氧氣的還原速度較慢，這直接影響了了MFC的產(chǎn)電性能的產(chǎn)電性能。于是在陰極加入各種。于是在陰極加入各種催化劑催化劑來提高來提高氧氣的還原速率的研究開始了。氧氣的還原速率的研究開始了。陰極材料大多使用陰極材料大多使用載鉑碳載鉑碳材料材料,

14、 但是由于但是由于Pt的價(jià)格比較的價(jià)格比較昂貴限制其商業(yè)化應(yīng)用。因此需要尋找廉價(jià)的可替代陰昂貴限制其商業(yè)化應(yīng)用。因此需要尋找廉價(jià)的可替代陰極鉑催化劑。有報(bào)道給出了摻極鉑催化劑。有報(bào)道給出了摻Fe3+的的石墨石墨和沉積了和沉積了氧化氧化錳錳的的多孔石墨多孔石墨作為陰極材料。作為陰極材料。目前實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)課題就是研究目前實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)課題就是研究陰極催化劑陰極催化劑，以，以生物生物炭修飾電極炭修飾電極為基礎(chǔ)，以常見的物質(zhì)，如青苔、絲瓜絡(luò)為基礎(chǔ)，以常見的物質(zhì)，如青苔、絲瓜絡(luò)以及植物秸稈等，將其經(jīng)與處理之后再以及植物秸稈等，將其經(jīng)與處理之后再高溫真空碳化高溫真空碳化，利用利用循環(huán)伏安法（循環(huán)伏安法（CV

15、CV）、線性伏安法（）、線性伏安法（LSVLSV）等電化學(xué)等電化學(xué)技術(shù)進(jìn)行研究。觀察其還原電位以及電流的大小，并技術(shù)進(jìn)行研究。觀察其還原電位以及電流的大小，并與鉑電極進(jìn)行比較。與鉑電極進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容制約電池性能的因素制約電池性能的因素(1)(1)動(dòng)力學(xué)方面動(dòng)力學(xué)方面：陽極和陰極反應(yīng)活化能較高陽極和陰極反應(yīng)活化能較高; ; (2)(2)內(nèi)阻方面內(nèi)阻方面：主要來自電解液的離子阻力主要來自電解液的離子阻力, ,電極與接觸物電極與接觸物質(zhì)產(chǎn)生的電阻質(zhì)產(chǎn)生的電阻, ,以及以及PEMPEM所產(chǎn)生的內(nèi)電阻所產(chǎn)生的內(nèi)電阻; ; (3)(3)物質(zhì)傳遞物質(zhì)傳遞：反應(yīng)物到微生物活性位的傳質(zhì)阻力和

16、陰極反應(yīng)物到微生物活性位的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散。區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散。應(yīng)用前景應(yīng)用前景 目前目前,雖然要讓微生物燃料電池提供更高且穩(wěn)定的輸出雖然要讓微生物燃料電池提供更高且穩(wěn)定的輸出功率功率,還有待于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高。但完全可以相還有待于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高。但完全可以相信信,隨著微生物學(xué)和電化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展隨著微生物學(xué)和電化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,微生物燃微生物燃料電池將會(huì)成為未來利用各種有機(jī)料電池將會(huì)成為未來利用各種有機(jī)(廢廢) 物發(fā)電的新技物發(fā)電的新技術(shù)核心。術(shù)核心。微生物燃料電池是一種能將產(chǎn)生微生物燃料電池是一種能將產(chǎn)生新能源新能源和解決和解決環(huán)境污環(huán)境污染染問題有機(jī)的結(jié)

17、合起來的新技術(shù)?？赏蔀橐环N問題有機(jī)的結(jié)合起來的新技術(shù)。可望成為一種能源能源替代替代形式，并在形式，并在生物傳感器、污水處理新工藝生物傳感器、污水處理新工藝，以及，以及利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進(jìn)行未培養(yǎng)菌的富集利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進(jìn)行未培養(yǎng)菌的富集等方面都有較好的應(yīng)用前景。等方面都有較好的應(yīng)用前景。 MFC最新研究進(jìn)展最新研究進(jìn)展一、與微電極電池系統(tǒng) (MEMS) 結(jié)合的MFC.u美國(guó)加州大學(xué)Berkerley分校機(jī)械工程系的Pro.Lin出于對(duì)無污染的汽車能源和家用能源的研究，注意到了微生物燃料電池。其研究表明，微生物燃料電池完全可以做到更小的尺度。 Pro.Lin的燃料電池目前

18、已能達(dá)到0.07cm2 面積大小，使用的燃料為葡萄糖，催化劑為cerevisiae酵母。u這種微生物燃料電池的原型中有一個(gè)微小的空室，用于放置進(jìn)行發(fā)酵作用的微生物。葡萄糖溶液通過平行的流體槽道進(jìn)入到這個(gè)微小空室中。在微生物進(jìn)行發(fā)酵的過程中，產(chǎn)生氫質(zhì)子和電子。MFC最新研究進(jìn)展最新研究進(jìn)展 Pro.Lin的實(shí)驗(yàn)中，在長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)小時(shí)的過程中，該微生物燃料電池產(chǎn)生了 300mV 的電壓。l這種微型生物燃料電池產(chǎn)生的電壓，已足以驅(qū)動(dòng)MEMS器件，同時(shí)，微生物燃料電池產(chǎn)生的只是二氧化碳和水分。l這兩種技術(shù)的融合，可能是未來微機(jī)械和微型燃料電池的一個(gè)具有發(fā)展前途的方向。例如微型的自維持型醫(yī)療器械.MFC最新研究進(jìn)展最新研究進(jìn)展二、處理污水的微生物燃料電池 由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家Logan率領(lǐng)的一個(gè)研發(fā)小組宣布他們研制出一種新型的微生物燃料電池?？梢园盐唇?jīng)處理的污水轉(zhuǎn)變成干凈用水和電源。在發(fā)電能力方面，據(jù)Logan稱在實(shí)驗(yàn)室里該設(shè)備能提供的電功率可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)小電風(fēng)扇。雖然目前產(chǎn)生的電流不大，但該設(shè)備改進(jìn)的空間很大。洛根的研發(fā)小組已經(jīng)把該燃料電池的發(fā)電能力提高到了350W 洛根希望這一數(shù)值最終能達(dá)到 500W1000W. 等技術(shù)成熟后可以批量生產(chǎn)的微生物燃料電池的發(fā)電能力將獲得很大提高，Logan