「微生物燃料电池」MFC微生物燃料电池

今天我们来聊聊微生物燃料电池,以下6个关于微生物燃料电池的观点希望能帮助到您找到想要的新能源资讯。

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什么是微生物燃料电池？

微生物燃料电池的概念已经提出将近三十年了。当时一个英国研究人员在碳水化合物中培养细菌的过程中，连接两个电极时，观测到了微弱的电流。尽管它还只处于实验室研究阶段。但其研究已经逐渐成形，有望成为一种替代能源。

事实上，光合作用细菌可以有效地从它们的食物中分离出能量。微生物可以从有机废物中剥离电子，然后形成电流。利用先进的电子提取技术，可以使这个转化过程更有效地进行。

目前，研究人员们把微生物封装在密闭的无氧测试管中，测试管的形状被做成类似电路的回路。当处理废物时，先把有机废水通入管中，作为副产品电子向阳极移动，然后通过回路流到阴极。另外一种副产品质子通过一块离子交换膜流到阴极。在阴极中，电子和质子与氧气发生反应形成水。

一块微生物燃料电池，理论上最大可以产生1.2伏特电压。但是可以像电池一样把足够多的燃料电池并联和串联起来，产生足够高的电压来作为一种有实际应用的电源。

光合作用细菌

微生物燃料电池的产电机理

从字面意思不难理解，微生物燃料电池与微生物电解池主要区别是：

1.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。

2.微生物电解池，利用微生物作为反应主体,在阴阳极间施加电流，产生氢气或者甲烷的一种电解池。微生物电解池由池体、阳极、阴极、外电路及电源组成。在阳极上有一层由产电微生物形成的生物膜，这些微生物靠吃污水中的有机物为生。微生物电解池中的微生物，在其代谢过程中，电子从细胞内转移到了细胞外的阳极，然后通过外电路在电源提供的电势差作用下到达阴极。在阴极，电子和质子结合就产生了氢气。

微生物燃料电池简称MFC，是一种新型的燃料电池，它是以微生物作催化剂，以有机废水为燃料，将有机废水中

A．K2S2O8被还原生成SO42-，应为电池的正极，正极反应式为S2O82-+2e-═2SO42-，故A正确；

B．负极反应式为2CH3COO--16e-+6H2O=4CO2+18H+，H+浓度增大，负极附近电解质溶液pH会降低，故B正确；

C．CH3COO-水解呈碱性，增大CH3COOK的浓度，溶液碱性增强，从pH上可能与图2不符，但如CH3COOK的浓度过低，原电池放电效率低，电压肯定低，故C错误；

D．在酸性条件下S2O82-氧化性增强，有利于电池放电，提高了电池的整体性能，故D正确．

故选C．

微生物燃料电池的分类介体

向微生物燃料电池中添加的介体主要有两种：第一类是人工合成的介体，主要是一些染料类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。这些介体必须满足一定的条件：

(1) 能穿透进入微生物的细胞内发生氧化反应；

(2) 非常容易得电子；(3) 在被还原之前能快速离开微生物细胞；

(4) 在阳极表面有很好的电化学活性；

(5) 稳定性好；

(6) 在阳极电解液中是可溶的；

(7) 对微生物没有毒性；

(8) 不会被微生物代谢掉。第二类是某些微生物自身可以合成介体，如Pseudomonas aeruginosastrainKRP1能够合成绿脓菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物质，它合成的介体不光自己可以使用，其它的微生物也可以利用它产生的介体传递电子。 微生物燃料电池（MFCs）提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同时也可以利用废水中含有的各种复杂物质。关于它所涉及的能量代谢过程，以及细菌利用阳极作为电子受体的本质，目前都只有极其有限的信息；还没有建立关于其中电子传递机制的清晰理论。倘若要优化并完整的发展MFCs的产能理论，这些知识都是必须的。依据MFC工作的参数，细菌使用着不同的代谢通路。这也决定了如何选择特定的微生物及其对应的不同的性能。在此，我们将讨论细菌是如何使用阳极作为电子传递的受体，以及它们产能输出的能力。对MFC技术的评价是在与目前其它的产能途径比较下作出的。

微生物燃料电池并不是新兴的东西，利用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且使用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。但是，经过提升能量输出的微生物燃料电池则是新生的，为这一事物的实际应用提供了可能的机会。

MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。

与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs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，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC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，MFCs不需要能量输入，因为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，MFCs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。 为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵。因此，目前报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型的都有分布。

在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研究了这条通路的利用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所使用的MFC中，电子传递系统利用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不使用电子传递链的2号位点或者末端氧化酶。通常观察到，在MFCs的传递过程中需要利用氧化磷酸化作用，导致其能量转化效率高达65%。常见的实例包括假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），微肠球菌（Enterococcus faecium）以及Rhodoferax ferrireducens。

如果存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势降低，电子则易于沉积在这些组分上。当使用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未使用阳极。如果没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体的存在，如果阳极持续维持低电势则发酵就成为此时的主要代谢过程。例如，在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2 或 6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使用这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都已经从MFCs中分离出来。此外，在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰富的氢气产生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。

发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。

代谢途径的差异与已观测到的氧化还原电势的数据一起，为我们一窥微生物电动力学提供了一个深入的窗口。一个在外部电阻很低的情况下运转的MFC，在刚开始在生物量积累时期只产生很低的电流，因此具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是对于兼性好氧菌和厌氧菌的选择的结果。经过培养生长，它的代谢转换率，体现为电流水平，将升高。所产生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些适应低氧化的兼性厌氧微生物生长。然而此时，专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在的氧化电势，同时也可能受到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于生长受抑的状态。如果外部使用高电阻时，阳极电势将会变低，甚至只维持微弱的电流水平。在那种情况下，将只能选择适应低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌种类的选择的可能性被局限了。 电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。

氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一通路的例子有Geobacter metallireducens 、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）以及Rhodoferax ferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的原子空间结构相位的易接近性（即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）。门控的势能与阳极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控（电子不能传递给一个更还原的电极）。

MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红的过程中扮演了某一角色。

细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物（次级代谢物），和通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）。

第一种途径体现在很多种类的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanella putrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一。由一种细菌制造的氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。

通过第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体——但还是需要利用初级代谢中间物——使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coli K12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink发表了利用Sulfurospirillum deleyianum将硫还原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中间物。

微生物燃料电池的进展

微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是一种以产电微生物为阳极催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。虽然目前已发现很多产电微生物，如希瓦氏菌、地杆菌、克雷伯氏杆菌等，但这些菌种均只能在中性条件下产电。理论上，碱性条件可以抑制甲烷的产生从而有利于电能输出，而且碱性废水是工业废水的重要组成部分。产电微生物如何将有机物代谢产生的电子传递到电极上一直以来是MFC研究的一个重要方向，因此，研究碱性条件下的微生物产电机制对MFC的电能输出与碱性废水的生物处理均有重要意义。中国科学院成都生物研究所应用与环境微生物中心李大平研究员课题组在微生物燃料电池的产电机制研究方面取得突破性进展。他们从污染环境中分离出一株嗜碱性假单胞菌（Pseudomonas alcaliphila），该菌株在碱性条件下能够分解有机物的同时产生电能，最佳pH为9.5。通过研究发现，该菌株在MFC体系中代谢有机物的同时产生吩嗪-1-羧酸介体（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），该介体起电子穿梭的作用从而实现电子从有机物到电极的传递过程。相关研究成果发表在《生物资源技术》（Bioresource Technology） 上。（来源：中国科学院成都生物研究所）

微生物燃料电池研究中有哪些问题尚未解决

主要问题是成本和功率密度。

1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。

毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。

2 微生物燃料电池的工作原理

图1是典型的双室结构MFcs工作原理示意图，系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成。阳极室中的产电菌催化氧化有机物，使其直接生成质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面。根据微生物的性质，电子传送的载体可以为外源、与呼吸链有关的NADH和色素分子以及微生物代谢的还原性物质。阳极产生的H+透过质子交换膜扩散到阴极，而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极．电子在流过外电阻时输出电能。电子在阴极催化剂作用下。与阴极室中的电子接受体结合，并发生还原反应。

图1 微生物燃料电池工作原理示意图

下面以典型的葡萄糖为底物的反应为例说明MFCs的工作原理，反应中氧气为电子受体，反应完成后葡萄糖完全被氧化。

阳极反应：

?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622

阴极反应：

?_6O2?24H?24e?12H2O

总反应：

C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料电池的应用现状

迄今为止，MFCs的性能远低于理想状态。制约MFCs性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等。动力学制约的主要表现为活化电势较高，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。内电阻具有提高电池的输出功率的作用，主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻。不用质子交换膜也可以大大降低MFCs的内阻，这时得到的最大功率密度有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题。另一个重要制约因素为电子传递过程中的反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率。最终电子受体采用铁氰酸盐或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。另外，微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长率、生物量负荷、反应器搅拌情况、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响。

当前针对微生物燃料电池主要研究其产电性能，同时由于其特殊的结构与原理，MFCs还有许多潜在应用领域，主要包括废水处理、电助产氢、传感器三方面。

3.1 废水处理

近年来，微生物燃料电池被尝试用来处理富含生物可降解有机物的废水，在废水降解的同时产电。表3.1列举了目前MFCs用于废水处理的现状。

微生物燃料电池用于污水处理的例子

此外，微生物燃料电池处理废水具有诸多优点，还可与传统厌氧、好氧工艺相结合，达到更好的处理效果。

3.2 电助产氢

微生物燃料电池由于输出效率低，难以直接应用，而MFC电助产氢技术是较有前途的一种方式。其工作原理为：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用MFC系统产氢的目的。

微生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体——氢气，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了MFC技术的实际应用。

3.3 生物传感器

根据MFCs的工作原理，在一定浓度范围内，MFCs的电流(或电压)输出与阳极的基质浓度有线性关系，因此可开发基于MFCs的传感器，最典型的是BOD5快速检测。Lorenzo等以人工废水为燃料构建型BOD5传感器，该传感器输出功率与BOD5浓度有良好的线性关系，且有非常高的重复性和稳定性，可连续运行7个月。

除了作为BOD5传感器外，有研究者尝试利用MFC型的传感器通过对UAFB中发

酵液pH和沼气流速进行实时监测，实现对厌氧硝化过程动态变化的监测。还有研究者通过在MFCs的质子交换膜两侧添加2片微硅板作电流收集器，由电流变化来反映基质中的有毒化合物。这些研究都有助于扩大MFCs技术的应用领域。

4 微生物燃料电池技术发展前景

MFCs技术正在不断成长并且已经在许多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，该技术还没有实现真正的大规模实际应用。基于其产电性能的制约因素，今后的研究方向主要可归纳为以下几点。

(1)深入研究并完善MFCs的产电理论。MFCs产电理论研究处于起步阶段，电池输出功率较低，严重制约了MFCs的实际应用。MFCs中产电微生物的生长代谢过程，产电呼吸代谢过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后的研究重点。

(2)筛选与培育高活性微生物。目前大多数微生物燃料电池所用微生物品种单一。要达到实际应用的目的，需要寻找自身可产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子传递化合物质的微生物。今后的研究应致力于发现和选择这种高活性微生。

(3)优化反应器的结构；5建议；微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分；(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物；(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，；MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起；力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多；7参考文献；[1]姜秀华.微生物电池技术研究[D].科技资讯；[2]张静，张宝

(3)优化反应器的结构。研究与开发单室结构和多级串联微生物燃料电池，利用微生物固定化技术、贵金属修饰技术等改善电极的结构和性能。选择吸附性能好、导电性好的材料作为阳极，选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料作为阴极。

5 建议

微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分看好，但由于输出功率较低，限制了在生产生活中的应用。因此，建议研究者主要从以下三方面对MFCs做进一步研究：

(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物确定电子产生和传递机理，实现对高效产电微生物的筛选和改造。

(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，提高电子传质速率，降低电压损失，提高MFCs产电性能。尝试MFCs的工程放大，实现实际应用。 6 结语

MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起，并已逐步显现出它独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步，MFCs必将得到不断地推广和应用。与微生物燃料电池相比，燃料电池目前使用存在着成本仍偏高, 利用率不太高的缺点，所以微生物电池有着广阔的应用前景。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。研究微生物电池是一件造福人类的伟大举措，我们应该投入更多的人力和物力。

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