微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展_杨改秀

微生物燃料电池的意义

1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1

微生物燃料电池应用现状及发展前景

微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理，介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点，并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器，水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 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

微生物燃料电池设计3027407

微生物燃料电池设计3027407

摘要 微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在MFC 总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定MFC 性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进MFC 实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容，可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词：微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能；成本；大型化

Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC.

微生物燃料电池电极材料的研究进展.

微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.360docs.net/doc/f013441044.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。

生物燃料电池的研究进展_宝玥

第10卷　第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10　No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝　王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要:　简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景. 关键词:　生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号:　T M911.45 文献标识码:　A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示: 　阳极反应　C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 　阴极反应　6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.360docs.net/doc/f013441044.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001

非铂 低铂燃料电池催化剂的研究进展

非铂、低铂燃料电池催化剂的研究进展低温燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的化学能转换为电能的能量转换装置，是一种绿色的能源技术，对解决目前我们所面临的能源危机和环境污染问题具有重要意义，美国《时代周刊》将燃料电池列为 21 世纪的高科技之首；在我国的科技发展规划中，燃料电池技术也被列为重要的发展方向之一。 催化剂是燃料电池中关键材料之一，催化剂的成本占到燃料电池成本的 1/3。铂被证明是用于低温燃料电池的最佳催化剂活性组分，但使用铂做为燃料电池催化剂也存在如下严重问题：（1）铂资源匮乏；（2）价格昂贵；（3）抗毒能力差。目前通过合金来改善催化剂的研究有碳负载的铂钌合金催化剂PtRu/C，以及添加有其他促进成分的 Pt/C 和 PtRu/C 催化剂等。为了有效降低燃料电池的成本，主要采用集中两个方面研究来降低铂载量：（1）开发非铂电催化剂；（2）开发研制低铂电催化剂。本文就此对近年来的研究现状进行综述。 1 非铂催化剂 1.1 非铂催化剂在酸性直接醇类燃料电池中的研究非铂催化剂的研究，主要采用钯基或钌基掺杂其他金属制备催化剂，近年来，研究人员用了多种方法制备了各种活性组分高度分散的钯基催化剂，在催化燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）中显示了可与铂基催化剂相媲美的效果。同时，作为直接甲酸燃料电池（DFAFC）和直接乙醇燃料电池（DAFC）的阳极催化剂，也显示了诱人的应用前景。以下从影响催化剂性能的几个因素对近

年来的相关工作进行讨论。 催化剂的组成直接影响其性能。Colmenares 等合成用 Se修饰的Ru/C 催化剂 (RuSey/C) 应用于直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极催化，结果表明在 0.6～0.8 V 电压下，Se 的加入促进了氧还原并减少了生成H2O2的趋势；少量甲醇的存在对于 RuSey/C 催化氧还原影响较小，说明这类催化剂具有较好的抗甲醇性能。Jose' 等合成了两种非铂催化剂Pd-Co-Au/C 和Pd-Ti/C，在质子交换膜燃料电池氧还原中的活性与现在常用的 Pt 催化剂活性相当。Shao 等制备了 Pd-Fe/C 系列催化剂用于氧还原反应，结果表明 Pd3Fe/C 氧还原活性比商业催化剂Pt/C (ETEK)好。Wang 等采用有机溶胶法合成了 PdFeIr/C 催化剂，研究表明 Fe 和 Ir 的添加，大大增加了催化剂的分散性，从而提高了催化剂的活性，该催化剂表现出较高的氧还原能力和较好的耐甲醇性能。Mayanna 等合成了不同组成的 Ni-Pd合金膜催化剂，并研究了在硫酸环境中的甲醇电氧化性能，发现与纯 Ni 相比其阳极峰电流明显增大，合金化以后其表面积增加了近 300 倍。 制备方法与合成条件对催化剂性能的影响显著。Shen 等利用微波交替加热法制备了 Pd/MWCNT 电催化剂，发现在碱性溶液中显示了良好的甲醇催化氧化性能，与 Pt/C 相比，氧化电位负移了 100 mV 左右。同时他们还研究了多种氧化物对Pd/C 催化氧化多种醇类（甲醇、乙醇、乙二醇等）的促进作用，发现在碱性溶液中 Pd-NiO/C 对乙醇的氧化与 Pt/C 相比负移了 300 mV 左右。他们用类似方法合成了 AuPd-WC/C 复合催化剂，并研究了在碱性条件下对乙醇氧化的电催化行为。发现与相同催化剂载量

微生物燃料电池简介

微生物燃料电池简介 摘要：微生物燃料电池是一种新型的能源装置，具有污废弃物处理与同步产电的优点，应用范围广，具有巨大的潜在应用价值，本文对其做了一个简要的介绍。 关键词：微生物燃料电池污水处理产电 前言：微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置，兼具处理废水与产电的功能，从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1]；但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池，这种电池可为宇宙飞船提供电能，但其发电效率较低；到2004年，废水首次被用作MFC的燃料来发电，并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中，MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中，MFC的规模在逐步扩大。目前，实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升，产电功率已达到2.8kW m-3。近年来，对MFC 的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。 一、MFC的工作原理 一个典型的MFC 共由四部分组成：阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂，以阳极液中的有机物质作为燃料，利用微生物降解生物质，从而产生电子，产生的电子到达阳极，由阳极转移到外电路，最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子，产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程，产生电能。当外电路接入负载时，MFC 产生的电能足够多时，MFC 便能够支持负载工作。 二、MFC的分类 根据分类标准的不同，MFC的分类方法有所不同。 （一）根据不同类型的微生物，MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。 （二）依据电池中电子不同的传输方式，MFC可分为介体MFC和无介体MFC。 （三）根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。 （四）根据反应器外观上的不同可分为：双极室MFC和单室MFC。

微生物燃料电池的研究进展

山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期） 学院（中心、所）： 专业名称： 课程名称：高等环境微生物 论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）： 研究生姓名： 年级： 学号： 成绩： 评阅日期： 山西大学研究生学院 2014年月日

微生物燃料电池的研究进展 学生：指导老师： 摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，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功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。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电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]： 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。

新型燃料电池阴极催化剂问世

新型燃料电池阴极催化剂问世 日前，从中科院过程工程研究所获悉，该所生化工程国家重点实验室研究员王丹团队研发了一种sp杂化氮掺杂的石墨炔，其在催化燃料电池阴极氧还原反应（ORR）中显示出良好的催化性能。研究成果近期发表于《自然—化学》。 燃料电池是一种把化学能转化为电能的装置，具有零污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点，是最具前景的新型能源转化装置之一。其阴极氧还原反应(ORR)是一个动力学迟缓的过程，需要在催化剂的作用下才能输出有效的电流密度。 王丹告诉《中国科学报》记者，传统的ORR催化剂主要为价格昂贵的铂类材料，开发价格低廉的非贵金属ORR催化剂是促进燃料电池规模应用的必然选择。 研究证实，氮掺杂碳基催化剂具有良好的ORR催化活性和稳定性，有望取代铂类催化剂在燃料电池中的应用。而氮掺杂构型有很多不同的形式，包括吡啶氮、亚胺氮、吡咯氮、氨基氮、腈基氮、石墨氮和氧化氮等。“研究者一般认为，吡啶氮的存在创造了ORR活性位点，而其它高性能的氮掺杂构型鲜有报道。”王丹表示。 研究人员以薄层石墨炔材料为基础，通过周环反应成功在薄层石墨炔的炔键上引入了新型的sp杂化氮原子，实现了氮的定点、定量掺杂。据介绍，与其它形式的氮构型相比，sp杂化氮原子的引入使得周围碳原子带有更多的正电荷，更有利于氧的吸附和活化，使电子更易转移到催化剂表面,能够显著提高ORR催化性能。 实验结果显示，该材料在碱性条件下，半波电位为0.87伏，动力学电流密度每立方厘米38毫安，这一数据均优于商业铂—碳催化剂，并表现出更好的稳定性和甲醇耐受性。在酸性条件下，该材料的活性虽略低于商业铂—碳催化剂，但仍优于其它非金属催化剂。 论文称，这种氮原子可控掺杂的机理和策略为催化剂的设计提供了一种新思路，有力推动了非金属催化剂取代铂基催化剂的进程。 《中国科学报》(2018-08-28第1版要闻) --来源网络整理，仅供学习参考

人工湿地微生物燃料电池综述

人工湿地微生物燃料电池综述 发表时间：2018-12-17T15:55:01.253Z 来源：《基层建设》2018年第29期作者：刘家兴卢欢王昊姜登岭 [导读] 摘要：国内外对人工湿地（CW）和微生物燃料电池（MFC）的研究已经处于相对平稳的状态，在两个领域都取得了特别好的成就。 华北理工大学河北唐山 063000 摘要：国内外对人工湿地（CW）和微生物燃料电池（MFC）的研究已经处于相对平稳的状态，在两个领域都取得了特别好的成就。在此基础上，将二者耦合起来的人工湿地微生物燃料电池（CW-MFC），由于其污水处理效果好、可产电、可持续性和环境友好型的特点，近些年关注度越来越高。本文就国内外对CW-MFC的研究进展做一个综述。 关键词：人工湿地；微生物燃料电池；耦合；污水处理；产电 1、引言 现今水质越来越差，人们在保护水资源的同时也在积极探寻污水处理水质更优、效率更高的方法。CW污水处理系统建造费用低，运行简便，湿地基质中的微生物在降解污水中的有机物同时能够产生电子，使之具备产电潜力[1]。MFC利用微生物分解有机物产生的化学能转化成电能的新型生物电化学系统。研究人员将二者结合，不止增强了废水的去污效果，而且具有产电的功能，由于其减少甲烷等气体的排放，可以有效的遏制温室效应。因此，CW-MFC具有很大的发展前景，受到了越来越多的关注。 2、CW-MFC概述 CW-MFC是新兴的一种污水处理系统，其性能优于其他MFC，污水处理量大大增多，且维护方便。由于处于起步阶段，许多技术、系统配置、运行和电力生产都面临着很大的问题。 CW-MFC工作原理是植物利用太阳能进行光合作用将二氧化碳转化为有机物，产生的有机物到达根系附近的阳极区，为MFC中的产电微生物源源不断的提供基质。[2，3]植物在阴极区的根系，形成植物-微生物-电极材料的复合生物阴极电极，利用植物根部泌氧为阴极提供还原反应电子受体。[4]CW-MFC系统中拥有人工湿地系统中天然的氧化还原电位梯度，且微生物燃料电池与人工湿地中都有利用微生物，二者有很好的相容性，因此能够很好的耦合，这样不但可以提高系统的整体污水处理效果，同时还拥有微生物燃料电池的产电性能。[5]影响人工湿地微生物燃料电池的因素有很多，像种植的植物种类，基质，水力停留时间（HRT），微生物种类，电阻，外电路等各种辅助材料等。 CW-MFC研究进展 前面对CW-MFC进行了简单的介绍，下面就参阅的有限文献对人工湿地微生物燃料电池系统（CW-MFC）做一个综述。 印度的Asheesh Kumar Yadav等第一次将CW和MFC结合。实验结果表明96h可以达到93.15%的染料去除效果，COD去除率75%。最大的功率密度和电流密度分别为15.73 mW? m?2和69.75mA ?m?2。由此得出除了可再生能源发电外，对废水处理非常有益。 Shentan Liu等建立一个无膜的单室，种植空心菜，接种厌氧污泥，再设置一个无植物的对照组，对化学需氧量(COD)和总氮(TN)的去除效率进行了研究。结果显示空白对照组TN平均去除率为54.4%，COD的平均去除率为92.1%；种植空心菜的TN平均去除率为90.8%，COD的平均去除率为94.8%。种植空心菜的最大功率密度12.42mW/m2比空白对照组5.13mW/m2高142%。 Yaqian Zhao等用PVC柱建造CW-MFC模型（3.7L），系统1以成批方式操作，系统2在系统1的基础上增加一个空气扩散装置将气体向上送到阴极。实验表明通入空气对CW-MFC发电有很大的作用。 Dan Wu等人设计了一个半工业人工湿地无膜微生物燃料电池系统，最大的水力停留时间功率密度为9.6 mW / m 2和最大电流密度是55 mA / m 2。在间歇流量模式下，COD去除率为91.2%，总氮、铵态氮和总磷的清除率在95% ~ 99%之间，而CW-MFC产生的电量为99%。 Zhou Fang等研究阴极直径对CW-MFC电极性能的影响。并对其在阴极上的影响进行了研究。研究表明生物发电、ABRX3脱色、化学需氧量(COD)去除性能先升高后随阴极直径的增大而减小。阳极性能受阴极的影响。阴极直径为25cm的CW-MFC表现出最佳电极性能，最高电压和功率密度分别为560 mV和0.88 W/ m3。最高的ABRX3脱色和COD去除分别为271.53 mg/ L和312.17 mg/L。[10] Junfeng Wang等就电极材料（CFF、SSM、GR、FN）进行了实验，实验结果表明，CW-MFC的生物能量输出随基质浓度的增加而增加。另外，四种不同的材料在阳极电极周围形成了显著不同的微生物群落分布。值得注意的是，这一发现表明CW-MFC利用FN阳极电极可以明显改善脱氯单胞菌的相对丰度。Junfeng Wang等还探究了灯心草、香蒲、水葱三种大型水生植物对CW-MFC产电菌产电的影响，从本研究可以得出，利用香蒲和水葱作为大植物可以显著促进CW-MFC的生物发电。有植物的与未种植的CW-MFC相比植物吸收和增强微生物的作用分别促进了COD、NO 3 - N和NH 3 - N的去除率分别为5.8%、7.2%和23.9%。在根际土壤中发现的微生物(噬纤维菌、梭状芽孢杆菌、脱氯单胞菌等)具有分解难降解污染物的能力。Junfeng Wang等还研究了基质材料尺寸和水生植物对CW-MFC生物发电、污染物清除和细菌群落分布的影响。得出有植物CW-MFC填料尺寸较大的电化学活性细菌的相对丰度显著提升（β-变形菌），这可能会导致在CW-MFC生物电产生的增加（8.91mW/m2），在有植物的cw-mfc中，发现了COD(86.7%)和NO3-N(87.1%)的最高去除效率，这与微生物的多样性有很大的关系。 Villase?or Camacho等研究废水含盐量浓度对CW-MFC性能的影响。根据COD和VSS测量，抑制微生物在阳极区最早出现的近似盐度3 g L?1（批量实验证实）。盐度9.51 g L?1的水平湿地植物仍然没有明显损害。 Xu Lei等将MFC集成到脱水明矾污泥（DAS）为基础的垂直流人工湿地，探究不同面积比例粉末活性炭（PAC）应用于阳极对CW-MFC系统性能的影响。试验表明，PAC的夹杂物提高COD，TN和RP的去除效率，这项工作提供了另一个潜在的PAC在CW -MFC的使用与更高的废水处理效率和能量回收。 Pratiksha Srivastava等对CW-MFC系统的曝气和径向氧损失的性能进行评价。本研究探讨了利用美人蕉植物的径向氧损失(ROL)和间歇曝气(IA)的低成本阴极发展的可能性。本研究证明对CW- MFC阴极反应的过量曝气对生物发电没有显著影响，但提高了CW- MFC的污水处理性能。 结论 前面对一部分研究者各个方面的研究做了简单的介绍。研究人员通过有无植物、植物种类、电极材料、氧气的有无、水流的形式、基质尺寸、有无分隔材料、温度、含盐度、pH等对CW-MFC的影响进行实验，得出了一系列结论，成果很显著，为以后的研究提供更多的资

浅谈微生物燃料电池研究进展

2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.360docs.net/doc/f013441044.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。

微生物燃料电池

微生物燃料电池 1.引言 能源紧张和环境污染是可持续发展面临的重大挑战。经济发展的同时，能源消耗也在急剧增长，而现有的化石能源消耗则带来了环境质量的不断恶化。寻找新型能源，实现经济、社会和环境的可持续发展是当今社会的主要研究问题。清洁能源的发展则成为解决问题的关键。与此同时，不断发展的生物燃料电池成为了人们关注的焦点。 微生物燃料电池的兴起为可再生能源的生产和废弃物的处理开辟了新途径。首先，微生物电池的燃料来源比较多样化，如多种有机无机材料，甚至能够直接利用废液、废物作为原料产生电能，净化环境。其次，微生物燃料电池能够实现无污染、零排放、无需能量输入，满足环境友好型电池的需求。此外，微生物燃料电池的能量转化效率非常高，可以发展成长效、低廉的能量系统；加上其操作条件是在常温常压的温和条件下工作，实现了电池的低维护成本和高安全性[1]。 微生物燃料电池的发展历史中，经历了几次重大进步。1911年Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，首次实现了微生物产电，从此开启了微生物燃料电池发展的道路[2]。20世纪80年代，细菌发电取得重大进步，随后微生物燃料电池的输出功率也有了较大的提高，其作为小功率电源使用的实际应用也进一步成为可能。2002年以后，微生物燃料电池的研究更是进入了飞速发展阶段，研究人员不仅发明了无需电子传递中间体的燃料电池，也在降低内阻、功率输出、优化结构和降低成本等方面都取得了重大进步。近年来，微生物燃料电池的应用领域也更加宽泛。 2.微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池是一种利用微生物进行能量转换，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置，能够通过产电菌代谢可生物降解的有机物，并将代谢产生的电子传递到外电路输出电能。原理如图1所示[3]。微生物燃料电池中，氧化底物的细菌通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线传递给阳极，电子通过连接阴阳两极的导线传递给阴极，而质子通过隔开两极的质子交换膜(Proton exchange membrane, PEM)到达阴极，在含铂的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水[4]。

微生物燃料电池练习题

微生物燃料电池与电解氯化铝制备单质铝 Ⅰ.美国俄勒冈州立大学的研究团队近日在英国《能源与环境科学》期刊发表了一篇文章，阐述了他们的发明：利用微生物燃料电池从废水里面提取出电能。参与该研究的一位教授解释说：“废水中其实含有巨大的电能，但它们通常都被捆绑在有机分子上，非常难提取和利用。我们发明了一种新型的微生物燃料电池，里面的微生物在产出净水的时候，是要吃进有机物的，但我们给系统接上了阴极和阳极，利用两电极之间的吸力先将附在有机分子上的电子吸出来，让它们形成一股电流，从而产生了电能。” 1.请你用“化学语言”简要复述这位教授的解释。 2.请你分析这项发明的前景。 3.利用微生物发电也有其他形式，比如沼气发电，其原理是利用微生物先生成甲烷，再转化为电能。在通常情况下，8gCH4完全燃烧生成CO2和液态H2O时，放出445 kJ的热量。写出热化学方程式 现有一碱性（利用KOH溶液做电解质溶液）甲烷燃料电池，请你写出该电池的电极反应式：负极： 正极： 在电池工作时，负极周围溶液的pH（忽略溶液体积的变化）（选填“变大”“变小”或“基本不变”） 若用甲烷燃料电池作为电源电解饱和食盐水制备烧碱和氯气，从理论上计算，160kgCH4产生的电能最多可制取多少吨30%的烧碱溶液？同时获得多少立方米（标准状况）氯气？ Ⅱ.1.电解法用来制备比较活泼的金属。其前提是该化合物必须是（） A.碱性氧化物 B.金属氧化物 C.共价化合物 D.离子化合物 2.制备铝单质就是在加入冰晶石（助熔剂）的条件下，高温电解熔融Al2O3，电解槽的阳极材料一般选用，在实际生产过程中，需要定期补充该材料，这是因为 。 3.过去认为不可能用电解AlCl3来制铝的，但近年来，这种说法被打破，比如电解NaCl-AlCl3熔盐体系制金属铝，并取得初步研究成果。工艺如下：用氧化铝为原料，制得无水AlCl3，再制备AlCl3离子型液体（例如AlCl3－NaCl），以此AlCl3离子型液体进行电解。 实验证明，在阳极发生的电解反应是AlCl4-失去电子生成离子Al2Cl7-，试写出该电极反应式。 生成的Al2Cl7-离子移动到阴极，并在阴极得电子生成Al单质。试写出该电极反应式