微生物燃料电池（2009中学化学5期）

1、发表期刊：中学化学 2010年第5期微生物燃料电池 变废为宝的“奇兵”襄樊东风中学 441004 但世辉 陈莉莉 利用微生物作为催化剂，把呼吸作用产生的电子传送到电极上，同时将燃料中的化学能转化为电能的一种装置叫作微生物燃料电池（MFC）。 一、MFC的历史纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革。早期微生物燃料电池是微生物发酵的产物作为电池的燃料，在1911年，英国植物学家波特在酵母和大肠杆菌进行实验时，就发现了微生物可以产生电流。20世纪60年代末，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。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动率有了较大的提高，并因此

2、推动了它的研究和开发利用，到1991年，实现了用微生物燃料电池处理生活污水的设想。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燃料电池。目前经过提升能量输出，增大发电量和电池功率的微生物燃料电池，已经具备了应用到实际生活中的可能。 二、MFC的工作原理就工作原理而言，微生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。相似之处体现在构造上：微生物燃料电池同燃料电池一样有两个电极和电解质溶液，不同之处在于燃料电池常用氢气、甲烷等作燃料，而微生物燃料电池则是利用微生物生命活动产生的所谓“电极活性物质”作为电极燃料，并且不需要“燃烧”便将化学能转化电能，其构

3、造意图如右：阳极区的溶液或污泥中的有机物（比如葡萄糖）在嗜阳极微生物的作用下被氧化，产生质子和电子，电子被微生物获取后传递给阳极电极，然后通过外电路到达阴极，并在那里将氧气还原为水，质子则通过质子交换膜到达阴极，这样就使得整个反应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，收集这些电流，就可以给外部电子装置提供能量，其两极的电极反应式如下： 阳极：C6H12O6+6H2O24e = 6CO2+24H+ 阴极：6O2+24H+24e = 12H2O 三、MFC的分类 微生物燃料电池的分类方法通常有两种。一种可根据阴极区的产电微生物种类不同可以分为单一菌种和混合菌群；另外也可根据电子传递途径的不同分为直接微生

4、物燃料电池和间接微生物燃料电池。 1单一菌种微生物燃料电池 这些菌种可以在无介体条件下通过细胞膜上细胞色素、菌毛或者自身代谢产物等方式向阳极传递电子，如腐败谢氏纳拉菌，它是一种还原铁细菌，只要提供乳酸盐或氢，它就无需电子传递中间体就能产生电流。2005年，kim教授与研究人员采用循环伏安法来研究一些变异型腐败谢氏纳拉菌的电能特性，用这些细菌作催化剂，乳酸盐为燃料组装微生物电池，不用电子传递中间体而直接加入燃料后，发现这些电池的电势都有明显提高。 2混合菌种燃料电池 尽管单一菌种通常表现出较高的电子传递效率，但他们生长速率慢，对底物的专一性很强。相比而言，混合菌群有很多优点：抗冲击能力强可利用基

5、质范围广，底物降解率和能量输出功率高。常见的混合菌群有产氢菌群、硫酸盐还原菌群等。 3间接微生物燃料电池 理论上讲，各种微生物都可以作为这种微生物燃料电池的催化剂，都可以将电子直接传递至电极，但电子传递速率却很低，因此微生物燃料电池大多需要电子传递中间体促进电子传递，这一类电池称之为间接微生物燃料电池。 4直接微生物燃料电池 近年来，人们陆续发现了几种特殊的细菌，比如地杆菌属，这类细菌可在无电子传递中间体存在的条件下直接将电子传递给电极，进而产生电流。1987年，马萨诸塞大学安姆斯特与同校的德里克·拉夫雷教授以及他们的同事在波托马克河底的沉淀物中发现了地杆菌属，近年来，这些研究者们对

6、地杆菌属进行了更深入的研究，发现了地杆菌属有一种特殊的细微菌毛，只有3到5纳米的直径，比人类的头发细约20000倍，正是这种“纳米线”式的菌毛发挥了传递电子的作用，不需要电子传递中间体便能在有机废物与沉积物之间产生电流。四、MFC与普通燃料电池的优势比较类别普通燃料电池（如甲醇燃料电池）微生物燃料电池原料常用甲醇、天然气、空气作燃料，磷酸作电解质，有腐蚀原料广泛，除了各种无机、有机物外，废水、沉淀物等生活废弃物均可用于产生能量操作操作温度为180210，需引燃，启动时间较长（24h）对温度无要求，低温、常温均可运作，不需引燃操作，启动时间只有几分钟，安全性高环保产生CO2等温室气体只是电子的转

7、移，无污染，更不需要进行废气、废物处理，且能将污水等原料进行净化 五、MFC的应用展望1替代能源 由于微生物燃料电池可将微生物产生的电子转化为电能，因此微生物燃料电池必将是新能源领域的一支奇兵。宾夕法尼亚州立大学的环境工程教授布鲁司斯·罗根和他的华裔同事郑晓安研发了一种圆刷状碳素纤维阳极，这种设计使得260加仑水能产生18瓦电能，可以达到普通电池效率的70%之多。2污水处理 环境污染问题是一个世界性的问题。如何处理“三废”更是一个世界性的难题，而微生物燃料电池的出现以及进一步发展有望解决这个难题。实际上微生物燃料电池用于污水处理的研究早在上世纪90年代已经开始，目前利用微生物燃料电池处理污水的技术正向无介体、无膜的方向继续发展。 3生物传感器从1999年起，韩国科技研究水环境及修复中心连续进行了以微生物燃料电池为基础的BOD传感器的研究。因为电流或电量产生与电子提供的量有一定关系，所以它可用做底物含量的测定。 虽然，现在阶段的微生物燃料电池还有在着许