生物燃料電池(mfc)

1、MFC1.什么是生物燃料電池（什么是生物燃料電池（MFC)(07172007)從生物微生物中提取電能在20世紀(jì)初就被發(fā)現(xiàn)直到20世紀(jì)70年代陸續(xù)有研究文章發(fā)表.1980年開始一些英國的研究者做了不少關(guān)于微生物燃料電池(microbialfuelcellMFC)研究持續(xù)了10年.到90年代末美國的一些研究者把這個(gè)題目找出來逐步“發(fā)揚(yáng)光大“?？赡芤?yàn)槟茉次C(jī)的問題現(xiàn)在MFC的研究表現(xiàn)的越來越熱.在這方面做的比較好的是比利時(shí)的一個(gè)研究組他們的

2、電池功率目前是最高的.PennState的BruceLogan發(fā)表的文章最多.另外Umass的DRLovley剛拿到一個(gè)hugegrant$23M估計(jì)接下來的幾年會(huì)做出不少的東西.MFC和Fuelcell顯著的區(qū)別就是anode:MFC在anode里用微生物或者生物酶做催化劑一般沒有Pt.因?yàn)樯锏拇嬖赼node的溫度就不可能很高一般MFC的運(yùn)行溫度在室溫和37C之間.燃料則是“有機(jī)物“用于microbe生長.microbes在降解有機(jī)

3、物(比如葡萄糖)的時(shí)候產(chǎn)生protons和electrons其余的原理就和fuelcell一樣了.MFC的cathode也用Pt或者其他化學(xué)藥品(例如ferricyanide)來促進(jìn)反應(yīng).MFC產(chǎn)生的功率遠(yuǎn)小于Fuelcell最高也就是幾Wm2現(xiàn)在可能提高了一些.因?yàn)镸FC和fuelcell應(yīng)用不同所以不需要那么高的功率輸出.另外MFC可能會(huì)用于大型反應(yīng)器所以anode的電極不大會(huì)用carbonpaper而用一些表面機(jī)更大的象graph

4、itegranular現(xiàn)在計(jì)算MFC功率的時(shí)候一般用anodevolume(Wm3)而不是電極表面積.MFC的futureapplication可能是廢水處理過程因?yàn)閺U水可以提供“免費(fèi)“的有機(jī)物讓微生物來降解并且產(chǎn)生電能一箭雙雕.目前廢水處理過程也產(chǎn)生能量比如甲烷氣(methane).因?yàn)閙ethane還需要額外的步驟來發(fā)電而MFC可以一步到位所以如果MFC可以有highefficiency比傳統(tǒng)的廢水處理過程要有不少優(yōu)勢(shì)(如果可以達(dá)到

5、高效的話).MFC2.微生物燃料電池中生物陰極的應(yīng)用微生物燃料電池中生物陰極的應(yīng)用(09042007)發(fā)展背景微生物燃料電池(microbialfuelcellMFC)是一種特殊的電化學(xué)電池.它通過微生物在陽極降解有機(jī)物產(chǎn)生電子.而在陰極陽極產(chǎn)生的電子和正離子還原氧氣最終產(chǎn)物為水.電子從陽極到陰極的傳輸產(chǎn)生電流.第一個(gè)生物電流的實(shí)驗(yàn)證明是在十八世紀(jì)晚期LuigiGalvani發(fā)現(xiàn)當(dāng)用金屬導(dǎo)體把青蛙腿連接起來的時(shí)候有電流反應(yīng)產(chǎn)生.為了進(jìn)一

6、步研究生物電流MichaelC.Potter在1911年建立了第一個(gè)微生物燃料電池.1931年BartCohen發(fā)現(xiàn)在陽極加入鐵氰化鉀(potassiumferricyanide)或者苯醌(benzoquinone)作為電子傳輸中介物可以提高電流.雖然在二十世紀(jì)六十年代微生物燃料電池成為一個(gè)研究熱點(diǎn)但是研究人員還無法成功地建造一個(gè)可以持續(xù)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)裝置.八十年代英國的研究人員H.PeterBento成功利用單種細(xì)菌和電子傳輸中介物通過氧

7、化有機(jī)物來發(fā)電.同時(shí)日本的研究人員發(fā)現(xiàn)光合自養(yǎng)型的細(xì)菌可以把光能轉(zhuǎn)化成電能.在過去的十年中因?yàn)槿蚰茉次C(jī)問題微生物燃料電池引起了越來越廣泛的關(guān)注.研究的方向包括理解電子傳輸?shù)臋C(jī)理和建造實(shí)用的反應(yīng)器裝置.非生物陰極非生物陰極大多利用氧氣為最終電子接收物也有研究過氧化氫作為陰極氧化物.因?yàn)檠鯕膺€原效率在碳石墨表面很低所以通常情況下陰極反應(yīng)需要催化劑或者電子傳輸中介物.鉑是目前使用最廣泛的陰極催化劑但是其材料昂貴催化性能容易被一些特殊物質(zhì)污

8、染.另外微生物燃料電池陰極溶液的pH值會(huì)隨反應(yīng)而升高從而限制鉑的催化能力.電子傳輸中介物大多是一些含有過渡金屬的化合物比如含鐵和鈷的物質(zhì).雜的碳水化合物分解成相對(duì)簡單的有機(jī)物(酸).這些發(fā)酵產(chǎn)物隨后被其他細(xì)菌消食例如醋酸化合物可以被甲烷菌(注:嚴(yán)格意義上甲烷菌不是細(xì)菌bacteria而是archaea)利用產(chǎn)生甲烷氣體.微生物燃料電池的陽極類似于廢水處理中的厭氧消化過程因此微生物之間的共生現(xiàn)象不可避免.最近賓州州立大學(xué)和麻省大學(xué)艾莫斯特

9、分校的研究人員先后發(fā)表論文從不同的角度研究和探討了陽極的共生現(xiàn)象.賓州州立大學(xué)的研究人員利用細(xì)菌Clostridiumcellulolyticum分解纖維素其產(chǎn)物被另一種細(xì)菌Geobactersulfurreducens用于厭氧呼吸(anaerobicrespiration)產(chǎn)生電子和電流.纖維素是一種富含有機(jī)物的生物物質(zhì)也是一種潛在的生物能源(bioenergy)的載體.但是它很難被直接利用需要進(jìn)行預(yù)處理和水解成為簡單的碳水化合物比如

10、葡萄糖.只有很少的一些微生物(bacteriafungi)或者特殊的生物酶可以水解纖維素產(chǎn)物包括氫氣醋酸物和乙醇.Clostridium是一種專性厭氧細(xì)菌因其降解纖維素的特殊能力而受到工業(yè)屆的廣泛重視.在這項(xiàng)研究中科研人員設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明C.cellulolyticum可以分解纖維素但無法產(chǎn)生電流G.sulfurreducen無法利用纖維素生長因而也沒有電流產(chǎn)生.但是當(dāng)把兩種細(xì)菌混合起來的時(shí)候微生物燃料電池產(chǎn)生出了電流.而且當(dāng)G.su

11、lfurreducen存在的時(shí)候纖維素(carboxymethylcelluloseCMC)的降解效率比C.cellulolyticum單獨(dú)生長的時(shí)候提高了18%.這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之舉在于首次利用特殊的細(xì)菌在微生物燃料電池降解非水溶性的有機(jī)物并且用實(shí)驗(yàn)展示了兩種細(xì)菌在發(fā)電過程中的共生關(guān)系.此外實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步論證了發(fā)酵過程和厭氧呼吸過程的結(jié)合可能比單一菌種的活動(dòng)更加有利于能量的產(chǎn)生.麻省大學(xué)艾莫斯特分校的研究則是關(guān)于兩種都可以進(jìn)行厭氧呼吸

12、利用三價(jià)鐵做為電子接受物的細(xì)菌Geobactersulfurreducens和Pelobactercarbinolicus.前者是已知的可以發(fā)電的細(xì)菌而后者被大量發(fā)現(xiàn)于建立在水沉積物中的微生物燃料電池的陽極上.通常意義上可以還原三價(jià)鐵氧化物的細(xì)菌都可以利用陽極作為電子接受物但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明P.carbinolicus基本不具備這樣的能力.科研人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙醇作為微生物燃料電池的燃料G.sulfurreducens不能夠代謝這種燃料P.ca

13、rbinolicus可以將乙醇用于生長但是不能產(chǎn)生電流.混合生長的時(shí)候乙醇被P.carbinolicus轉(zhuǎn)化為氫氣和醋酸物然后G.sulfurreducens利用這些產(chǎn)物發(fā)電.共焦顯微鏡(confocal)和對(duì)16SrRNA基因的分析表明兩種細(xì)菌在陽極表面的數(shù)量幾乎相等但是在陽極水溶液中絕大多數(shù)是P.carbinolicus.P.carbinolicus是第一種可以還原三價(jià)鐵氧化物卻不能在微生物燃料電池中產(chǎn)生電流的細(xì)菌.與其他可以產(chǎn)生電

14、流的細(xì)菌相比P.carbinolicus缺乏外細(xì)胞膜的細(xì)胞色素(cytochrome)一種被認(rèn)為是連接細(xì)胞內(nèi)部和陽極的可導(dǎo)電的蛋白質(zhì).微生物燃料電池研究的一個(gè)關(guān)鍵問題就是理解陽極微生物的活動(dòng)和它們之間的相互作用.利用單一菌種(pureculture)來研究共生現(xiàn)象將對(duì)認(rèn)識(shí)陽極微生物的新陳代謝和電子傳輸過程有重要的幫助.MFC4.沉積物微生物燃料電池沉積物微生物燃料電池工作原理沉積物微生物燃料電池(SedimentMicrobialFue