微生物燃料电池技术论文Word格式.docx

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1.引言

随着全球气候变暖和化石燃料耗竭等问题的日益严峻，可替代能源和可再生能源的研究受到越来越多的重视。

构建多样的、更稳定的能源系统，已成为各国可持续发展和国家战略的重要组成部分。

太阳能、风能、生物质能等可再生能源产业的发展方兴未艾[1]。

而能源紧张和环境污染是我国现代社会可持续发展面临的两大主要挑战。

1975年的世界人口比1925年增加了一倍，世界能源的总消耗量却增长了4.5倍，并且随着社会经济的不断发展，能源的消耗必将呈现持续增加的状态。

研究表明，每十年人类消耗的能源总量将翻一倍，并且在未来十年能源消耗的总量将等同于自古至今人类消耗的能源总量[2]。

随着社会经济不断发展，对能源的大量消耗而导致环境质量的严重恶化，尤其是碳排放增加引起的温室效应将对全球气候长期影响。

面对能源供应持续偏紧、能源价格高、能源开发利用与环境保护的矛盾突出和能源利用效率较低等严峻形势，全世界必将为能源付出更大的代价[3]。

因此，一种将化学能转化为电能并且能够处理污染物的微生物电池技术正在兴起，下面本文就微生物燃料电池的原理，应用前景及存在问题展开论述。

2.微生物燃料电池的概述

2.1.定义

微生物燃料电池（MFC）是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。

利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流从而获得电能。

2.2.发展历程

纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[4]。

早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。

1910年，英国植物学家Potter首次发现细菌的培养液能够产生电流，并制造出世界上第一个MFC，由此拉开了MFC研究的帷幕。

此后，航天领域的发展、电子传递中间体的广泛应用、MFC发电技术的突破等加快了MFC研究的步伐。

20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和产电过程合为一体。

20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。

2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。

由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途[5]。

Bond等[6]研究发现存在能直接将电子传递给固体电极受体的微生物，使得直接MFC得以广泛研究。

近年来，Liu等[7]利用MFC反应器进行产氢，为氢能的获取提供了新思路。

至此，MFC已成为治理污染、开发新能源方面的研究新热点。

2.3.特点

微生物燃料电池（Microbialfuelcell，简称MFC），是以微生物为催化剂将化学能直接转化为电能的燃料电池。

由于它在能量转化过程减少了燃烧步骤，因而可大幅提高能量转化效率。

同常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的催化剂，因而具有更多优点：

1）常温常压条件下运行；

2）无需为防止催化剂中毒提纯燃料；

3）原料来源更广泛，理论上，所有可生物降解的有机物都可作为MFC的燃料，因而可利用污水中的有机污染物发电；

4）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；

5）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；

6）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；

7）能量利用的高效性：

微生物燃料电池是将来热电联用系统的重要组成部分，使能源利用率大大提高；

8）生物相容性：

利用人体内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。

MFC在处理有机废物的同时产生电能，相比传统的耗能污水处理工艺可有效降低运行成本[8]。

3.微生物燃料电池的原理

3.1.微生物燃料电池的工作原理

MFC通常由阳极、阴极和膜组成，系统示意图如图3-1所示。

氧化底物在微生物的催化作用下，在阳极室内被氧化，产生的电子传递到阳极，再通过连接阴阳两极的导线传递给阴极；

质子通过质子交换膜或者直接通过电解质到达阴极，在阴极催化剂的作用下与电子和O2反应生成水[9]。

图3-1微生物燃料电池系统组成示意图

（1）在阳极池，水溶液中或污泥中的营养物在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物，电子通过载体传送到电极表面。

随着微生物性质的不同，电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子，也可能是微生物代谢产生的还原性物质，如S2-和H2等。

（2）电子通过外电路到达阴极，质子通过溶液迁移到阴极。

（3）在阴极表面，处于氧化态的物质（如氧气等）与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。

微生物在阳极产生的电子、质子要传到阴极才能产生电能。

目前已发现的微生物还原电极的方式主要有以下3种：

1）直接接触机制；

2）通过氧化还原介体作为电子穿梭体；

3）利用纳米导线远距离传递电子（图3-2）[1,10]。

图3-2MFC中微生物向电极传递电子的主要机制

3.2.微生物燃料电池的分类

根据电子从细菌到电极转移方式的不同，微生物燃料电池可分为间接MFC和直接MFC。

间接MFC是指微生物的细胞膜对电子传递造成很大阻力，电池要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极。

直接MFC是指MFC的细菌能分泌细胞色素等电子传递体，可将电子由细胞膜内转移到电极上[11]。

3.2.1.间接微生物燃料电池

微生物电池以葡萄糖或蔗糖为燃料，利用介体从细胞代谢过程中接受电子并传递到阳极。

理论上讲，各种微生物都可能作为这种微生物燃料电池的催化剂。

微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，电子难以穿过，导致电子传递速率很低，因此，尽管电池中的微生物可以将电子直接传递至电极，但微生物燃料电池大多需要氧化还原介体促进电子传递。

图3-3所示为间接生物燃料电池的工作原理：

所示为间接微生物燃料电池的阳极工作原理示意图，底物在微生物或酶的作用下被氧化，电子通过介体的氧化还原态的转变从而将电子转移到电极上[12]。

图3-3间接微生物燃料电池工作原理

对于间接微生物燃料电池运行时，代谢产物会导致微生物与电极之间的电子传递通道受阻，导致电子的传递量和传递速率大大降低，影响MFC性能。

大量研究表明，若在电子传递过程中添加氧化还原介体，能有效促进电子传递，提高电池输出功率密度，所以氧化还原介体成为电子传递的关键环节，充当介体应具备如下条件[13]：

①容易通过细胞壁；

②容易从细胞膜上的电子受体获取电子；

③电极反应快；

④溶解度、稳定性等要好；

⑤对微生物无毒；

⑥不能成为微生物的食料。

这些介体主要为中性红[14]、2，6-蒽醌、二磺酸、硫堇、铁氰化钾，甲基紫精等，它们在实现电子转移的同时，提高电子转移的速度，提高电池性能。

另外，有研究发现少数微生物自身能生成氧化还原介体，如绿脓菌素以及由铜绿菌素假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）产生的相关化合物，同样可以将电子转移到电极，使得MFC产生电能[9,11]。

3.2.2.直接微生物燃料电池

微生物细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以穿过。

因此微生物燃料电池大多需要介体，介体对细胞膜的渗透能力是电池库仑效率的决定因素。

由于常用介体价格昂贵，且需要经常添加，氧化还原介体大多有毒且易分解，这在很大程度上阻碍了微生物燃料电池的商业化进程。

因此间接MFC不适合用作一种简单的长期能源[15]。

自从发现细菌可以在没有介体的情况下，同样能实现较高电池功率输出后，MFC的研究出现新突破，直接MFC开始引起人们的关注。

近年来，人们陆续发现几种特殊的细菌，此类细菌主要有:

金属还原地杆菌（Geobactermetallireducens）、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）、铁还原红螺菌（Rhodoferaxferrireducens）和腐败希瓦菌（Shewanellaputrefaciens）等[9]。

这类细菌可以在无氧化还原介体存在的条件下，将电子传递给电极从而产生电流。

另外，从废水或海底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。

无介体生物燃料电池的出现大大推动了燃料电池的商业化进展。

图3-4所示为直接微生物电池的结构示意图：

电子不通过介体而通过燃料直接传递给电子受体[12]。

图3-4直接微生物燃料电池结构示意图

3.3.微生物燃料电池的影响因素[16]

目前，主要以输出功率作为衡量微生物燃料电池性能优劣的重要标准。

输出功率的大小主要取决于电子在微生物和电极之间的转移效率、电极表面积、电解液（阳极液和阴极液以及PEM）的电阻和阴极区的反应动力学等因素。

这可归为3类：

（1）动力学因素，阳极和阴极反应活化能的因素；

（2）内阻的因素，主要来自电解液的离子阻力，电极与接触物质产生的电阻，以及PEM所产生的内电阻；

（3）传递因素，反应物到微生物活性位的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散。

3.3.1.动力学因素

微生物燃料电池来自动力学制约的主要表现是活化电势较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率。

因此，这是研究的关注点之一。

在电池阳极区，解决动力学制约的途径包括：

其一，尽管选择的菌种在相当程度上影响微生物的富集速度，但并不能最后决定电池的最终输出功率，而起决定性作用的是选择产电效率高的菌种。

例如文献[17]指出，选择厌氧好氧混合污泥作为菌种来源，葡萄糖为燃料的电池，经3个月的微生物培养和驯化后，电能转化率达到了初期的8倍。

其二，利用某些菌种可将其它菌种的生成物质作为介体物质的特点，通过选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利作用，也可获得较高的