1、微生物燃料電池制作人：朱亞輝 姚烘燁 楊金鵬 狄偉強 胡燦陽 夏德銘 時間：2016.10.24Research on Microbial Fuel Cells DUT研究背景01 簡單分類03發(fā)展展望05 基本原理02 具體應用04THE MAIN CONTENTSResearch on Microbial Fuel CellsDUT1第部分研究背景 簡單來說：微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFC）是一種利用微生物（產(chǎn)電菌）將有機物中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 MFCs 也可以被簡單地定義為通過微生物的厭氧呼吸過程氧化底物、還原電極并輸出電能的生物電化學系統(tǒng)。

2、 研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. Whats the MFCs？什么是微生物燃料電池？什么是微生物燃料電池？ 1911 年，英國植物學家 Potter 發(fā)現(xiàn)微生物的催化作用可以在燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生電壓1，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)技術(shù)的發(fā)展就此開始。 20 世紀50年代，由于美國航空航天局(NASA)的推動，微生物燃料電池曾一度成為研究熱點。 1999 年， Kim 等發(fā)現(xiàn)：Shewanella putrefaciens可以在無外源電子介體的條件下催化 MFCs產(chǎn)電，該研究促使 MFCs技術(shù)擺脫了依

3、賴外源電子介體的瓶頸.研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. The history of MFCs微生物燃料電池發(fā)展歷史 進入 21 世紀之后，隨著降低電極微生物從海洋廢棄物中提取能源在科學雜志的發(fā)表，標志著能直接將電子傳遞給固體電級受體的微生物的發(fā)現(xiàn)，使得 MFC 迅速成為環(huán)保領(lǐng)域研究的新熱點 。研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. The history of MFCs微生物燃料電池發(fā)展歷史 美國賓夕法尼亞州大學氫能源研究中心的 Bruce E.Logana 教授研究 MFC 構(gòu)型與電極材料方面

4、的改進，研發(fā)出了易于搭建、廉價且高效的MFC 雛形。 韓國科學技術(shù)研究院水環(huán)境修復中心的 Byung Hong Kim 教授和比利時根特大學微生物生態(tài)與技術(shù)實驗室的Willy Verstraete 等則在 MFC 產(chǎn)電菌和微生態(tài)方面做了大量基礎(chǔ)研究工作，以探明 MFC 中電子產(chǎn)生與傳遞機理及微生物種群的關(guān)系及演變。 這些研究構(gòu)成了 MFC技術(shù)的基本理論框架與技術(shù)方法。研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. The history of MFCs微生物燃料電池發(fā)展歷史2第部分微生物燃料電池基本原理基本原理02DUTBasic Principles01

5、 Basic Principles02 微生物燃料電池是利用微生物作為反應主體，將燃料（有機物質(zhì)）的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。其工作原理與傳統(tǒng)的燃料電池存在許多相同之處。 以葡萄糖作底物的燃料電池為例，其陰陽極化學反應式如下： 陽極反應：C6H1206+6H2OC02+24e-+24H+陰極反應：602+24e-+24H+12H20基本原理02DUT2.1 雙室MFCs原理示意圖： 03陰極陽極微生物負載電阻H+質(zhì)子交換膜氧化劑還原產(chǎn)物e-e-氧化產(chǎn)物直接或間接電子傳遞有機物O2H20H+ e-e-CO2H+e-基本原理02DUT Basic Principles04 離子交換膜將陽極室

6、與陰極室相分幵,在每一區(qū)域發(fā)生著不同的反應。MFCs的工作過程可分為以下幾個步驟: (1)在陽極室,微生物將底物氧化,這個過程伴隨著電子和質(zhì)子的釋放,同時以細胞膜作為電子的受體; (2)釋放出來的電子進一步從細胞膜轉(zhuǎn)移到電池的陽極匕經(jīng)由外電路到達MFCs的陰極,最終在陰極上與電子受體(氧化劑)結(jié)合; (3)氧化過程中生成的質(zhì)子經(jīng)電池內(nèi)部的離子交換膜擴散到陰極區(qū),并與電子受體于陰極表面發(fā)生還原反應,氧化物質(zhì)被還原。從而完成整個MFCs的電子產(chǎn)生、傳遞、流動過程,形成電流?；驹?2DUT2.2 產(chǎn)電微生物及其群落05 無介體微生物是 MFC 研究的主流，這類微生物可以自我產(chǎn)生電子介體或者通過自

7、身的細胞組織進行電子傳遞，如細胞膜電子傳遞鏈和納米導線，解決了需電子介體微生物燃料電池的高運行成本問題，同時也保證了功率密度的高效輸出。目前，研究報道無需外加介體的產(chǎn)電微生物主要有Shewanella putrefacien、Geobacter sulferreducen、Geobacter metallireducens 、 Geopsychrobacter electrodiphilus Thermincola.sp. 、 Rhodoferax ferrireducens、Lysinibacillus sphaericus 等。 基本原理02DUT2.2 產(chǎn)電微生物及其群落06 對于 MF

8、C 陽極微生物的電子轉(zhuǎn)移機制，普遍認可的方式主要有細胞接觸轉(zhuǎn)移、電子中介體轉(zhuǎn)移和納米導線轉(zhuǎn)移 3 種。著重介紹納米導線轉(zhuǎn)移 。 在納米導線方面，Lovley等認為， 諸如 Desulfovibrio desulfuricans 等產(chǎn)電微生物的微生物納米線能更長距離地傳導電子，穿越這種桿菌生物膜的菌絲網(wǎng)讓生物膜具有了與廣泛應用于電子工業(yè)的人造導電聚合物相媲美的導電性，電子可在其上傳導，傳導的距離可為細菌體長的幾千倍，這種細菌的蛋白微絲就像真正的金屬導線一樣，這種作用代表了生物學領(lǐng)域一個基本的新特性。 基本原理02DUT2.2 產(chǎn)電微生物及其群落07 對于 MFC 中陽極系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)，有關(guān)

9、研究表明，利用混合菌種構(gòu)建 MFC 要優(yōu)于純菌構(gòu)建 MFC 的性能，因為混合接種的 MFC 中微生物具有高度的生物多樣性，這些微生物隨著不同的運行條件的變化而變化，其中產(chǎn)電菌通過產(chǎn)電過程直接或間接獲得能量，從而逐漸成為該體系中的優(yōu)勢微生物。 基本原理02DUT 2.3 燃料電池的電極材料08 MFC 的電極分為陽極和陰極， 其作為微生物和催化劑的載體，以及電子轉(zhuǎn)移的導體，須具有良好的導電性、穩(wěn)定性，一定的機械強度，廉價的成本以及電極表面與微生物具有良好的相容性。 基本原理02DUT 2.3.2 陽極材料09 微生物燃料電池系統(tǒng)的無介體產(chǎn)電菌群主要是異化金屬還原菌，由于這些菌與過渡態(tài)金屬之間的親

10、和作用，研究人員開始使用過渡態(tài)金屬氧化物作為電極修飾劑，以促進微生物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)電能力的提升。研究比較成熟的金屬化合物主要有Fe3O4、MnO2、WC 等。 經(jīng)修飾后的陽極能夠通過靜電吸附、與外膜表面的細胞色素酶作用等方式促進產(chǎn)電菌群在陽極表面的黏附，同時通過過渡金屬本身晶格上電子的不穩(wěn)定性促進了電子的傳遞。 基本原理02DUT 2.3.1 陰極材料10 目前在 MFC 中應用最多的還是鉑催化劑，但金屬鉑價格昂貴。近幾年來，非貴金屬氧化物催化劑由于其來源廣泛、價格低廉，被廣泛應用于多種電池體系，如 PbO2、MnOx、TiO2、鐵氧化物等，其中，MnO2 和 TiO2 是目前研究較多的 MF

11、C 陰極催化劑。 過渡金屬大環(huán)化合物對氧具有電化學還原活性，尤其是過渡金屬卟啉和酞菁化合物。由于大環(huán)類化合物的脫金屬作用比較強，在中性或者堿性的環(huán)境中是穩(wěn)定的，因此，這類催化劑適合成為中性操作條件下 MFC 的陰極催化劑。過渡金屬大環(huán)化合物的中心離子通常為 Fe、Co、Ni 等，其中以 Fe和 Co 形成的配合物具有較高的氧還原活性。 3第部分微生物燃料電池分類MFCs的分類03DUT01 依據(jù)不同的劃分標準,MFCs可以分為多種類型。（1）按菌源的不同MFCs 可分為純菌MFCs和復合菌MFCs;（2）按電子轉(zhuǎn)移方式的不同可分為直接MFCs和間接MFCs;（3）按結(jié)構(gòu)的不同又可分為雙室MFC

12、s和單室MFCs,其中按裝置中是否使用離子交換膜,雙室MFCs又可細分為有膜雙室MFCs及鹽橋雙室MFCs,單室MFCs又可分為“二合一”、三合一、有膜單室及無膜單室MFCs。3.1 分類概述MFCs的分類03DUT02 近年來,有不少科研工作者主要從事純菌MFCs的研究,這類MFCs以單一的細菌為考察對象。細菌或是利用細胞膜外的特殊細胞色素(如Shewmella putrefaciens),或是利用納米導線(如,或是通過加入電子介體(如Escherichia coli)等方式,將底物氧化并將電子轉(zhuǎn)移到電極,表現(xiàn)出良好的催化性能。但純菌的能量轉(zhuǎn)移率低,且對操作技能及運行環(huán)境的要求較高,長期運行

13、有被污染的風險15,通常只用來研究MFCs的工作機理,不適于MFCs的實際應用。 與純菌MFCs相比,復合菌MFCs有著顯著的有點:抗環(huán)境沖擊能力強;可降解底物的種類多且效率高;輸出功率大。具有產(chǎn)電性能的復合菌主要是從沉積物(海底和湖泊)或污水處理成的活性污泥馴化而來,通過菌群之間的協(xié)同作用,增強MFCs的穩(wěn)定性,最利于MFCs的商業(yè)化運用。 3.2 純菌MFCs和復合菌MFCsMFCs的分類03DUT03 直接MFCs是指燃料在陽極上被氧化的同時,電子直接從燃料分子上轉(zhuǎn)移到陽極上。如果燃料是在陽極溶液或其他處所反應,產(chǎn)生的電子通過氧化還原介質(zhì)傳遞到陽極上就稱為間接MFCs。 間接MFCs的氧

14、化還原介體大多價格昂貴、有毒且易分解,這在一定程度上限制了MFCs的商業(yè)化進程。3.3 直接MFCs和間接MFCsMFCs的分類03DUT04 雙室MFCs由兩個電極室及分割材料組成,陽極室(厭氧室)與陰極室(好氧室)中間使用的分割材料為離子交換膜。離子交換膜價格較昂貴,為降低制造成本,鹽橋也被廣泛用作阻止陰極室氧氣進入陽極室的材料。相比于離子交換膜,鹽橋的內(nèi)阻很大,造成MFCs的輸出功率很低。 單室MFCs省去了陰極室,底物在陽極室被微生物催化氧化,電子由陽極直接傳遞到陰極,氫離子經(jīng)過離子交換膜(或離子交換膜不存在)傳到陰極。 當把陰極與離子交換膜壓合在一起,陽極獨立即為 “二合一“型MFC

15、s;當把陽極,離子交換膜、陰極依次壓合在一起即為三合一”型MFCs;當以空氣作為電子受體,可將離子交換膜除去,即為空氣陰極無膜單室MFCs。 3.4 雙室MFCs和單室MFCsMFCs的分類03DUT05 雙室MFCs優(yōu)點是：電池的陰極室及陽極室彼此分幵,便于對陽極、陰及分割材料(離子交換膜)分別進行研究。但是由于雙室MFCs的陽極室和陰極室存在一定的距離,導致內(nèi)阻較高,從而使得輸出功率較低,并且離子交換膜的存在,不利于電池裝置的放大。 單室MFCs的優(yōu)點是電池的陽極與陰極距離較近,傳質(zhì)速率較大,裝置內(nèi)無離子交換膜,進一步提高了 MFCs的輸出功率。但兩電極距離過近且不使用離子交換膜同樣有其不

16、利的一面,氧氣容易到達陽極,破壞陽極室微生物的厭氧環(huán)境,降低了 MFCs的庫倫效率。 3.4 雙室MFCs和單室MFCs4第部分微生物燃料電池應用MFCs的應用04DUT01 MFCs是一門將有機物在微生物的催化作用下實現(xiàn)化學能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。污水處理及生物發(fā)電是MFCs最初的發(fā)展動力,也是MFCs最具商業(yè)應用的價值。 到目前為止,所有的廢水處理的目的都是為了除去其中的污染物,即便是上個上世紀的活性污泥法(ASP),仍是一種能量密集型操作。據(jù)估計全美國電力消耗的2%都用于生產(chǎn)活性污泥法處理污水所需要的氧氣。因此,現(xiàn)代廢物的處理應盡可能的變廢為寶MFCs技術(shù)處理廢水,在降解有機物的同時生產(chǎn)電能

17、,符合“低碳”生活的要求。 4.1 廢水處理及發(fā)電MFCs的應用04DUT02 MFCs能將可溶性的重金屬還原成不溶性的離子,從而將其從污染物中去除,達到生物修復的目的。美國賓夕法尼亞大學和清華大學的最新研究顯示,微生物可將污池的鹽水變?yōu)轱嬘盟a(chǎn)生電能。研究人員使用兩片特制的塑料薄膜,這種薄膜可以分離微生物產(chǎn)生的離子、電子、氣體,讓其分別流向陽極和陰極。利用這一原理,微生物工作可最終產(chǎn)生高達90%的水,甚至可以達到飲用水的標準。 MFCs能夠除去水中大部分的鹽分,減少了電能的消耗,因此可以降低淡化水質(zhì)的成本。 4.2 生物修復與海水淡化MFCs的應用04DUT03 MFCs中電流或電量的生成

18、與底物量之間存在一定的關(guān)系,故MFCs可用于底物濃度的測定,如現(xiàn)已使用的乳酸傳感器及BOD傳感器。 MFCs作為生物傳感器應具有良好的穩(wěn)定性及較短的響應時間,韓國Korbi公司生產(chǎn)的Hato就是一款滿足上述要求的精密儀器,可以檢測工業(yè)污水及生活污水并擁有很好的穩(wěn)定性和精確性。Eaton等的研究表明,MFCs在BOD的測試中具有很大的應用前景。 4.3 生物傳感器MFCs的應用04DUT04 MFCs有著很好的生物相容性,微生物可以利用人體內(nèi)的葡萄糖及氧氣產(chǎn)生電能,作為人造器官的電力來源。人體內(nèi)連續(xù)不斷的葡萄糖攝入和氧氣的不斷補充,可供MFCs永不間歇的工作。 4.4 人造器官的電源5第部分發(fā)展展望發(fā)展展望05D