生物燃料電池

微生物燃料電池microbialfuelcell姓名NAME

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生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第1頁。一：微生物燃料電池概述生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第2頁。生物燃料電池燃料電池（fuelcell）：一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。生物燃料電池（biofuelcell）：利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。MFC（microbialfuelcell）：利用微生物的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(如碳水化合物的代謝或光合作用等)，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到電極上的裝置。在微生物燃料電池中用微生物作生物催化劑，可以在常溫常壓下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。1.概念生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第3頁。1911年，英國植物學(xué)家Potcer用酵母和大腸桿菌進(jìn)行試驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)利用微生物可以產(chǎn)生電流，拉開了微生物燃料電池研究的序幕。40多年后，美國基于研究開發(fā)一種用于空間飛行器中、以宇航員生活廢物為原料的生物燃料電池，間接微生物電池占主導(dǎo)地位。先利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生氫氣或其它能作為燃料的物質(zhì)，然后再將這些物質(zhì)通入燃料電池發(fā)電。2.微生物燃料電池發(fā)展簡史生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第4頁。從60年代后期到70年代，直接生物燃料電池逐漸成為研究的中心。熱點(diǎn)之一是開發(fā)可植入人體、作為心臟起搏器或人工心臟等人造器官電源的生物燃料電池。這種電池多是以葡萄糖為燃料，氧氣為氧化劑的酶燃料電池。鋰碘電池的研究取得了突破，并很快應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床。生物燃料電池研究因此受到較大沖擊。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第5頁。80年代后，對(duì)于生物燃料電池的研究又活躍起來，采用氧化還原介體的微生物燃料電池的研究全面開展。氧化還原介體的廣泛應(yīng)用，使生物燃料電池的輸出功率密度有了很大提高，顯示了它作為小功率密度電源的可能性。但由于介體(中性紅、亞甲基藍(lán)、勞氏紫等)昂貴并且一部分具有毒性，阻礙了微生物燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展。90年代初，我國也開始了該領(lǐng)域的研究。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第6頁。3.微生物燃料電池的分類生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第7頁。依據(jù)微生物的營養(yǎng)類型分類：異養(yǎng)微生物燃料電池是指厭氧菌代謝有機(jī)物產(chǎn)生電能；光能異養(yǎng)微生物燃料電池是指光能異養(yǎng)菌(如藻青菌)利用光能和碳源作底物，以電極作為電子受體輸出電能；沉積物微生物燃料電池是微生物利用沉積物相與液相間的電勢差產(chǎn)生電能。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第8頁。依據(jù)電子的轉(zhuǎn)移方式分類1.介體微生物燃料電池微生物細(xì)胞膜含有肽鍵或類聚糖等不導(dǎo)電物質(zhì)，對(duì)電子傳遞造成很大阻力，需要借助介體將電子從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)移到陽極。在微生物燃料電池中加入適當(dāng)?shù)慕轶w，會(huì)顯著改善電子的轉(zhuǎn)移速率。2.無介體微生物燃料電池

指微生物燃料電池中的細(xì)菌能分泌細(xì)胞色素、醌類等電子傳遞體，可將電子由細(xì)胞膜內(nèi)轉(zhuǎn)移到電極上。目前發(fā)現(xiàn)的這類細(xì)菌有腐敗希瓦菌、地桿菌，酸梭菌、糞產(chǎn)堿菌、鶉雞腸球菌和銅綠假單胞菌等。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第9頁。依據(jù)微生物種類分類純菌型：腐敗希瓦菌、地桿菌、酸梭菌等混菌型：抗沖擊能力強(qiáng)，更高的底物降解率，

更低的底物專一性和更高的能量輸

出效率生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第10頁。依據(jù)微生物燃料電池的外型分類雙室微生物燃料電池構(gòu)造簡單，易于改變運(yùn)行條件(如極板間距，膜材料，陰陽極板材料等)。單室微生物燃料電池直接以空氣中的氧氣作為氧化劑，陰極不需要曝氣，陰陽極板之間可以不加質(zhì)子交換膜，結(jié)構(gòu)簡單成本低，但庫侖效率一般都很低，只有30％。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第11頁。二：微生物燃料電池工作原理生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第12頁。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（氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示：陽極反應(yīng)：

(CH2O)n＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+陰極反應(yīng)：

4e-＋O2＋4H+2H2OMFC的基本工作原理：PEM負(fù)載陽極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機(jī)物微生物微生物燃料電池工作原理生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第13頁。生物燃料電池間接MFC：需要外源中間體參與代謝，產(chǎn)生電子才能傳遞到電極表面，如脫硫弧菌、普通變形桿菌和大腸桿菌等；直接MFC：代謝產(chǎn)生的電子可通過細(xì)胞膜直接傳遞到電極表面；如地桿菌、腐敗希瓦式菌和鐵還原紅螺菌等；生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第14頁。生物燃料電池電子傳遞細(xì)胞膜直接傳遞電子其電子直接從微生物細(xì)胞膜傳遞到電極，呼吸鏈中細(xì)胞色素是實(shí)際電子載體；提高電池功率，關(guān)鍵在于提高細(xì)胞膜與電極材料的接觸效率。由中間體傳遞電子氧化態(tài)中間體還原態(tài)中間體排除體外電極表面被氧化生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第15頁。生物燃料電池電子傳遞機(jī)理：1）細(xì)胞通過其細(xì)胞膜外側(cè)的細(xì)胞色素C將呼吸鏈中的電子直接傳遞到陽極，如異化還原鐵地桿菌、鐵還原紅螺菌等；2）細(xì)菌通過其納米級(jí)的纖毛或菌毛實(shí)現(xiàn)電子傳遞，該菌毛或纖毛稱為納米電線（nanowire）。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第16頁。MFC的主要組成部分生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第17頁。生物燃料電池組成成分原料標(biāo)注陽極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳必需陰極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳必需陽極室玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃必需陰極室玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃非必需質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜、鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維和碳紙必需電極催化劑鉑、鉑黑、聚苯胺、固定在陽極上的電子介體非必需微生物燃料電池組成生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第18頁。生物燃料電池質(zhì)子交換膜(PEM)

PEM對(duì)電池產(chǎn)電性能影響也很大。

在雙室MFCs中,PEM的作用不僅體現(xiàn)在將陽極室和陰極室分隔開和傳遞質(zhì)子,同時(shí)還要能阻止陰極室內(nèi)氧氣擴(kuò)散至陽極室。

在單室MFCs中,一般采用“二合一”電極,即將PEM熱壓在陰極內(nèi)側(cè)。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第19頁。生物燃料電池合適的中間介體中間介體具備條件：1）容易與生物催化劑及電極發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)；2）氧化態(tài)和還原態(tài)都較穩(wěn)定，不會(huì)因長時(shí)間氧化還原循環(huán)而被分解；3）介體的氧化還原電對(duì)有較大的負(fù)電勢，使電池兩級(jí)有較大電壓；4）有適當(dāng)極性以保證能溶于水且易通過微生物膜或被酶吸附；5）對(duì)微生物無毒，且不能被微生物利用。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第20頁。陽極材料一般微生物燃料電池用無腐蝕性的導(dǎo)電材料作為陽極,如碳、石墨等。對(duì)陽極的研究主要是對(duì)導(dǎo)電材料的改性和加入其他的催化劑。1.對(duì)材料的改性Zeikus等報(bào)道了用石墨陽極固定微生物來增加電流密度,然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+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115～212倍。Cheng等將用氨氣預(yù)處理過的碳布作為MFC的陽極,結(jié)果表明,預(yù)處理過的碳布產(chǎn)生的功率為1640mW/m2,要大于未預(yù)處理過的功率,并且MFC的啟動(dòng)時(shí)間縮短了50%。

生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第21頁。2.加入其他催化劑Qiao等報(bào)道了用碳納米管/聚苯胺(CNT/PANI)作為MFC陽極。Kargi等用銅和銅-金導(dǎo)線來代替石墨電極作為MFC的陽極,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著陽極表面積的增大,產(chǎn)生的電流和功率也隨之增大。Rosenbaum等研究了用碳化鎢作為微生物燃料電池的陽極,獲得了不錯(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的陽極是適合的。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第22頁。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(dāng)是氧氣，但是氧氣的還原速度較慢，直接影響了MFC的產(chǎn)電性能。陰極材料生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第23頁。根據(jù)陰極催化劑的種類：非生物陰極常用的催化劑主要有Pt、過渡金屬元素等。Pt是最廣泛的高效催化劑，能使MFC的產(chǎn)電性能提高近4倍。但成本高、穩(wěn)定性差、也容易造成催化劑污染。MFC陰極非生物陰極生物陰極好氧型厭氧型根據(jù)最終電子受體不同生物陰極可顯著降低MFC成本，避免催化劑中毒，提高穩(wěn)定性。好氧型生物陰極常以不銹鋼或MnO2為電子受體；厭氧型生物陰極常以硝酸鹽、硫酸鹽、尿素和CO2等為電子受體。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第24頁。三：微生物燃料電池的問題與展望生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第25頁。生物燃料電池微生物燃料電池的關(guān)鍵問題動(dòng)力學(xué)問題：解決途徑：1）選擇產(chǎn)電效率高的菌種；2）選擇適合的不同菌種進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，使之在電池中建立這種所謂的共生互利關(guān)系，以獲得較高的輸出功率；3）增大陽極的表面積。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第26頁。生物燃料電池內(nèi)阻問題：內(nèi)電阻的微降會(huì)顯著地提高輸出功率，說明其在提高電池的輸出功率方面具有重要作用。1）PEM對(duì)內(nèi)阻的影響2）PEM和電極的空間距離對(duì)內(nèi)阻的影響3）電極間距離和電極表面積對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電阻的影響生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第27頁。生物燃料電池傳遞問題：

反應(yīng)物到微生物活性位間的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散速率是電子傳遞過程中的主要制約因素。氧作為陰極反應(yīng)的電子受體最大問題是在水中的溶解度低。攪拌情況、微生物最大生長率、微生物對(duì)底物的親和力、生物量負(fù)荷、操作溫度和酸堿度均對(duì)物質(zhì)傳遞有影響。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第28頁。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(xì)菌能夠釋放電子，所以可以利用MFC形式的反應(yīng)器進(jìn)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(gè)過程無法自行完成，需要一個(gè)電化學(xué)來輔助其產(chǎn)氫氣。即在電路中施以外加電壓。所以這個(gè)過程也稱為電輔助產(chǎn)氫。微生物脫鹽池（MDC），用于淡化鹽水。目前的海水淡化技術(shù)要高壓及大量的電能。研究人員構(gòu)建的以醋酸為底物，不同初始濃度的鹽水的MDC，脫鹽率能達(dá)到90%。生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第29頁。環(huán)境污染治理

1、使用MFC技術(shù)進(jìn)行生物修復(fù)

研究表明，MFC系統(tǒng)可以再厭氧條件下用于提高被石油污染的地下水的生物修復(fù)速率。

2、用于難降解有機(jī)物的去除

當(dāng)構(gòu)建一個(gè)以葡萄糖和偶氮燃料為基質(zhì)的生物陰極型MFC時(shí)，污染物的去處速率顯著加快，脫色率得到提高。

3、制成BOD生物傳感器，對(duì)受污染水體進(jìn)行預(yù)警，甚至能夠?yàn)檫呥h(yuǎn)海域的導(dǎo)航系統(tǒng)提供電源（SMFC）。

生物燃料電池全文共33頁，當(dāng)前為第30頁。結(jié)語與展望MFC具有廣泛的應(yīng)用開發(fā)前景，但是