2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——微生物燃料電池的性能提升考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.在微生物燃料電池中，陽極室發(fā)生的核心生物電化學(xué)過程通常是（）。A.氧氣還原反應(yīng)B.微生物對有機物的氧化分解C.乙酸生成反應(yīng)D.氫氣析出反應(yīng)2.下列哪種性能指標通常用于衡量MFC單位反應(yīng)器體積或電極面積的發(fā)電能力？（）A.電壓B.庫倫效率C.功率密度D.電流密度3.提高MFC陽極材料的比表面積，主要目的是為了（）。A.增加微生物負載量B.減少內(nèi)部電阻C.加快傳質(zhì)速率D.以上都是4.在MFC陽極表面形成一層穩(wěn)定的生物膜，對于電池的（）至關(guān)重要。A.短期穩(wěn)定性B.長期穩(wěn)定性C.電流密度D.庫倫效率5.下列哪種物質(zhì)通常作為微生物燃料電池的陽極反應(yīng)底物？（）A.氧氣B.氮氣C.乙酸D.氫氣6.為了提高MFC陰極的氧氣還原反應(yīng)速率，常采用的方法是（）。A.使用高導(dǎo)電性碳材料作為陽極B.在陰極添加貴金屬催化劑C.增加陽極室的底物濃度D.降低反應(yīng)器中的溫度7.庫倫效率是指MFC產(chǎn)生的總電子摩爾數(shù)與底物完全氧化理論上可產(chǎn)生的電子摩爾數(shù)的比值，它反映了（）。A.電池的能量轉(zhuǎn)換效率B.電池的電化學(xué)性能C.微生物的活性D.電極的催化活性8.與傳統(tǒng)燃料電池相比，微生物燃料電池的主要優(yōu)勢之一是（）。A.能量轉(zhuǎn)換效率高B.可以利用多種廉價有機物作為底物C.對環(huán)境溫度要求嚴格D.運行維護成本低9.采用連續(xù)流式反應(yīng)器設(shè)計，有助于提高MFC性能的原因是（）。A.增加了反應(yīng)器體積B.優(yōu)化了底物傳質(zhì)C.減少了微生物流失D.以上都是10.微生物燃料電池的性能提升策略中，不包括（）。A.電極材料改性B.微生物基因工程改造C.提高反應(yīng)底物價格D.優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線上）1.微生物燃料電池主要由______室、______室、______和______組成。2.MFC陽極過程通常是微生物將有機物氧化，電子通過______傳遞到電極表面。3.影響MFC陽極性能的關(guān)鍵材料因素包括電極的______、______和______。4.提高MFC陰極性能的常用策略包括使用______催化劑和增加電極的______。5.庫倫效率較低通常意味著生物膜內(nèi)存在______或微生物活性______。6.為了提高傳質(zhì)效率，可以優(yōu)化MFC的______設(shè)計或采用______流場。7.某些MFC通過引入______來促進陽極生物膜的穩(wěn)定附著和生長。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述微生物燃料電池中電子傳遞的主要途徑。2.簡述增加MFC陽極材料表面積對提高電池性能的幾個主要作用。3.簡述生物強化技術(shù)在提升MFC性能方面的作用。4.簡述提高MFC陰極氧氣還原反應(yīng)速率的意義。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述電極材料在提升微生物燃料電池性能中的重要作用，并舉例說明幾種具有代表性的電極材料及其改進方法。2.結(jié)合實際應(yīng)用場景，論述優(yōu)化MFC反應(yīng)器設(shè)計對于提升性能的重要性，并說明可以從哪些方面進行設(shè)計優(yōu)化。五、計算題（共15分）已知某MFC在恒定底物濃度下運行，測得開路電壓為0.4V，外接電阻為100Ω時，輸出電流為2mA。請計算該MFC的功率密度（以電極面積計，單位：mW/cm2），并假設(shè)該電池的庫倫效率為60%，試計算當(dāng)消耗1摩爾乙酸時，理論上能產(chǎn)生多少摩爾電子？實際產(chǎn)生的摩爾電子是多少？(假設(shè)乙酸在標準狀態(tài)下完全氧化轉(zhuǎn)移8摩爾電子)試卷答案一、選擇題1.B2.C3.D4.B5.C6.B7.A8.B9.B10.C二、填空題1.陽極陰極隔膜電解質(zhì)2.外部電路（或：導(dǎo)線）3.導(dǎo)電性比表面積孔隙率4.貴金屬（或：高效非貴金屬）比表面積5.內(nèi)阻高6.流場設(shè)計攪拌7.隔膜（或：生物膜載體、導(dǎo)電基底）三、簡答題1.解析思路：回答MFC中電子傳遞的多種路徑。首先說明微生物通過氧化有機物產(chǎn)生電子，電子可以通過兩種主要方式傳遞到陽極：一是通過細胞內(nèi)的電子傳遞鏈，二是通過細胞膜上的外膜電子傳遞系統(tǒng)（如細胞色素C等），將電子傳遞給陽極表面的微生物或直接傳遞給電極。此外，電子還可以通過生物膜內(nèi)的導(dǎo)電通路（如電子納米線）傳遞到更深的生物膜區(qū)域或陽極材料表面。2.解析思路：說明增大表面積如何促進性能。首先，更大的表面積提供了更多的反應(yīng)場所，能夠負載更多的電活性微生物，從而提高生物催化活性，增加電流輸出。其次，更大的表面積通常伴隨著更高的比表面積，這有利于底物的吸附和傳質(zhì)，提高了反應(yīng)物接觸效率。最后，較大的表面積可以降低電極的歐姆電阻（如果電極厚度減?。?，有利于電荷的快速傳輸。3.解析思路：闡述生物強化的作用。生物強化是指通過特定手段優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)或提高微生物活性來提升MFC性能。具體作用包括：篩選并接種具有更高電催化活性的優(yōu)勢菌種或構(gòu)建高效的協(xié)同微生物群落，以加速陽極的有機物降解和電子產(chǎn)生；通過添加營養(yǎng)物質(zhì)或調(diào)控環(huán)境條件（如pH、溫度）來促進目標微生物的生長和活性；使用生物膜載體或?qū)щ娀|(zhì)來引導(dǎo)和固定生物膜，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率。4.解析思路：說明提高氧還原意義。首先，氧氣是許多MFC陰極過程的最終電子受體（特別是在好氧模式下），陰極反應(yīng)的速率決定了整個電池的輸出電壓和功率。其次，氧氣還原反應(yīng)通常是MFC中的限速步驟之一，尤其是在低氧濃度下。提高陰極的氧氣還原速率，可以降低陰極過電位，增加電池的輸出電壓和功率密度。此外，高效的氧氣還原還有助于維持陽極室的好氧環(huán)境（如果需要），確保陽極微生物的正常代謝活性。四、論述題1.解析思路：*核心作用：電極是MFC中電子傳遞的關(guān)鍵界面，其性能直接影響電荷傳輸效率和電池整體電化學(xué)性能，是提升MFC性能的核心材料之一。*具體作用與例子：*提供反應(yīng)場所與負載微生物：電極材料提供表面讓電活性微生物附著和生長（形成生物膜），或直接作為催化劑。例如，使用活性炭（如碳氈、石墨烯、碳納米管）作為陽極材料，因其高比表面積和導(dǎo)電性，為微生物附著和電子傳遞提供了良好平臺。*促進電荷傳輸：電極材料需要高導(dǎo)電性，以減少電荷在材料內(nèi)部和材料-電解質(zhì)界面的傳輸阻力（歐姆電阻）。例如，使用貴金屬鉑或其氧化物作為陰極催化劑，因其優(yōu)異的氧還原催化活性，能顯著降低陰極過電位，提高電壓。*優(yōu)化傳質(zhì)：電極的孔結(jié)構(gòu)和表面形貌影響反應(yīng)物（陽極底物、陰極氧氣）的擴散和傳質(zhì)效率。例如，通過控制孔徑大小和分布，可以優(yōu)化陽極的底物傳質(zhì)和陰極的氧氣傳質(zhì)。*材料改性：通過對電極材料進行表面功能化（如摻雜、接枝導(dǎo)電聚合物或親水性基團）、復(fù)合（如碳材料與金屬氧化物復(fù)合）等方式，可以進一步提高電極的導(dǎo)電性、生物相容性、催化活性或穩(wěn)定性。例如，在陽極材料表面涂覆聚吡咯等導(dǎo)電聚合物，可以增強生物膜的結(jié)合力并提高電導(dǎo)率。*總結(jié)：因此，電極材料的選擇與改性是提升MFC性能的關(guān)鍵策略，直接影響電池的功率密度、庫倫效率、穩(wěn)定性和底物適用范圍。2.解析思路：*優(yōu)化重要性：MFC反應(yīng)器設(shè)計直接影響內(nèi)部傳質(zhì)、微生物分布、反應(yīng)環(huán)境維持和整體能量轉(zhuǎn)換效率。合理的設(shè)計是提升電池性能、實現(xiàn)穩(wěn)定運行和擴大應(yīng)用的關(guān)鍵。*優(yōu)化方面與結(jié)合實際：*流場設(shè)計：優(yōu)化陽極室和陰極室的流場可以顯著改善傳質(zhì)效率，特別是對于低擴散系數(shù)的底物（如溶解性有機物）和氧氣。例如，采用特定的流道設(shè)計（如蛇形流道、螺旋流道）或流化床設(shè)計，可以增加流體雷諾數(shù)，強化對流和擴散，確保反應(yīng)物充分接觸電極/微生物界面，從而提高電流密度和功率密度，特別是在連續(xù)流反應(yīng)器中。*反應(yīng)器構(gòu)型：選擇合適的單室或雙室構(gòu)型。雙室設(shè)計能有效隔離陽極和陰極微生物群落，防止陰極微生物污染陽極或陽極產(chǎn)物干擾陰極反應(yīng)，有利于維持系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高庫倫效率。對于特定應(yīng)用，如需要精確控制反應(yīng)環(huán)境（如pH），可能需要更復(fù)雜的設(shè)計。*電極設(shè)計：反應(yīng)器內(nèi)部電極的布局（面積、間距、形狀）影響電場分布和傳質(zhì)路徑。例如，增加電極表面積（通過網(wǎng)狀、氈狀或結(jié)構(gòu)化電極）或優(yōu)化電極間距，可以在有限體積內(nèi)提供更大的反應(yīng)面積，提高功率密度。*隔膜選擇與設(shè)計：隔膜不僅用于物理隔離兩室，還負責(zé)離子（如H+或電子接受體離子）的傳輸。選擇具有高離子導(dǎo)電性、選擇性和化學(xué)穩(wěn)定性的隔膜至關(guān)重要。隔膜的厚度和孔隙率也影響離子傳輸電阻和氣體（如H2）的泄漏控制。例如，使用質(zhì)子交換膜（PEM）可以高效傳導(dǎo)質(zhì)子，同時阻止電子和大部分有機物從陽極遷移到陰極。*氣體擴散層（GDL）：在陰極設(shè)計中，GDL用于高效輸送氧氣到催化層，并支撐催化材料。其孔隙率和厚度影響氧氣滲透率和陰極阻力。*總結(jié)：通過在流場、構(gòu)型、電極和隔膜等多個方面進行優(yōu)化設(shè)計，可以顯著提升MFC的功率密度、效率、穩(wěn)定性和對實際應(yīng)用的適應(yīng)能力，是推動MFC技術(shù)進步的重要途徑。五、計算題解析思路：1.計算功率密度：*功率P=V*I*V=0.4V,I=2mA=0.002A*P=0.4V*0.002A=0.0008W=0.8mW*功率密度S=P/A(假設(shè)電極面積為1cm2，或題目已給出)*S=0.8mW/1cm2=0.8mW/cm22.計算理論摩爾電子：*乙酸氧化反應(yīng)：C2H4O2→2CO2+2H++2e-*摩爾電子數(shù)（理論）：2mole-/