微生物燃料电池
微生物燃料电池
微生物燃料电池12级新能源材料，程妮，学号106微生物燃料电池(microbial fuel cells ，MFCs)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装置，是一种生物反应器。
自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始，有关MFCs 的研究一直在进行，但进展缓慢。
直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极，MFCs 的研究获得了突破性进展。
目前，MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善，体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。
一、原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物(例如，葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等)，产生电子和质子。
产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。
产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。
在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。
如图所示为MFCs 的工作原理示意图。
典型反应如下：阳极：C 6H 1206+6H 20一6C02+24H ++24e -阴极：602+24H ++24e -一一12H 20二、微生物燃料电池的结构微生物燃料电池主要有三种结构类型，即单室结构、双室结构和填料式结构。
［1］(一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂，无需曝气，因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。
单室的功率密度为480～492mW ／m 2，单室MFCs 无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。
但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10％，而双室则为42％～61％)。
(二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室，中间由PEM 或盐桥连接。
双室的功率密度为38～42mW ／m 2。
MFCs 从外形上又分为平板型和管型。
以厌氧污泥为活性微生物，以葡萄糖为底物，以颗粒石墨为阳极的管状ACMFCs，其最大功率密度达到50．2W／m2。
微生物燃料电池
膜
☺
质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔 膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细 菌和氧气等都被截留的微孔材料。
现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。
☺
阴极
☺最新的研究表明，阴极是制约MFC产电的主要原
因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但 是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较 慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极 加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开 始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分 为非生物阴极和生物阴极。
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O nCO2＋4ne-＋4nH+ 2H2O
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
阳极室
Hale Waihona Puke PEM阴极室图1.生物燃料电池工作原理
MFC
阳极 阴极
膜
生物阴极 厌氧型生物阴 极
非生物阴极
好氧型生物阴 极
阳极
☺从MFC的构成来看，阳极担负着微生物附着并传
递电子的作用，可以说是决定MFC产电能力的重 要因素，同时也是研究微生物产电机理与电子传 递机理的重要的辅助工具。现在，MFC阳极主要 是以碳为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、 碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。
☺ ☺
好氧型生物阴极 二氧化锰也能作为直接的电子受体， 在MFC的阴极表面沉积一层MnO2， 利用MnO2的电化学还原和生物再 氧化过程
☺ ☺
厌氧型生物阴极 在厌氧条件下，许多化合物，如硝 酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳等 都可以作为电子受体。利用厌氧生 物阴极代替需氧生物阴极的一大优 势是可以阻止氧通过PEM扩散到阳 极，防止氧气消耗电子导致库伦效 率下降。
☺阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生
微生物燃料电池的原理与应用
微生物燃料电池的原理与应用微生物燃料电池是一种利用微生物酵解产生的电子传递到电极上产生电力的技术，它的特点是能够将有机废弃物转化为电能，同时减少污染、降低能源成本，因此备受关注。
本文将讨论微生物燃料电池的原理与应用。
一、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池的核心原理是将来自微生物代谢的电子传递到电极上来产生电力。
在微生物燃料电池中，微生物活性产生的氢离子（H+）和电子通过呼吸链途径转移到氧气或氧化的底物上，达到能量代谢的目的。
而当微生物呼吸链的末端正好是电极表面时，电子可以被导向电极表面形成电流，故而产生电力。
微生物燃料电池中的微生物可分为两类：一是光合微生物，如藻类和细菌等，其使用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物进行代谢；二是好氧和厌氧微生物，如大肠杆菌等，其使用底物在代谢过程中产生的氢离子和电子转移到电极上形成电流。
于是，我们可以通过对不同类型的微生物进行研究和利用，来产生不同种类和强度的电流。
二、微生物燃料电池的应用微生物燃料电池由于具有高效、便捷和环保的优点，被广泛运用于生产和生活的多个领域。
以下就是微生物燃料电池的应用：1. 生物废弃物处理微生物燃料电池可以将厨余垃圾、污泥和废水等有机废弃物转化为电能，实现废物处理和能源回收的双重效果。
利用微生物燃料电池处理废弃物不仅能节约大量处理成本，而且可以减少对环境的污染。
2. 智能物联网微生物燃料电池可以产生小型电源，已经应用于智能物联网设备。
这些设备包括传感器、监控装置、移动通信设备和环境检测仪器等，都需要能够稳定供应电能，而微生物燃料电池可以为这些设备提供稳定的电源。
3. 医疗、军事和安全领域微生物燃料电池还可以应用于一些不便使用电网的场合，如医疗方面的义肢、覆盖物和人造耳蜗，军事方面的夜视仪、无人机和常规电力供应等，安全领域的消防器材、探矿工具和遥控钻机等，都可以通过微生物燃料电池进行供电。
三、微生物燃料电池的未来发展随着科技的不断进步，微生物燃料电池在未来的发展前景非常广阔。
微生物燃料电池课件
2 污水处理
微生物燃料电池可以同时 处理废水和产生电能，实 现高效的污水处理。
3 远程地区供电
微生物燃料电池可以在没 有外部电源的情况下，为 远程地区提供可靠的电力。
微生物燃料电池的优势
可持续性
微生物燃料电池利用有机废料 等资源，具有可持续性和循环 利用的特点。
低排放
与传统能源相比，微生物燃料 电池几乎没有排放有害气体和 污染物。
微生物燃料电池课件
微生物燃料电池是一种能够将有机物质转化为电能的可再生能源技术。通过 利用微生物代谢过程中释放的电子，实现能量的转换。
微生物燃料电池的定义
微生物燃料电池是一种利用微生物来转化有机物质为电能的装置，将化学能 转化为电能的可再生能源技术。
微生物燃料电池的原理
• 微生物通过代谢过程将有机物质氧化，产生电子。 • 电子在电极表面传导，形成电子流。 • 电子流通过外部电路，驱动电子器件工作。 • 电子最终在电极上与氧气还原，完成电化学反应。
灵活性
微生物燃料电池可以适应不同 的环境和能源需求，具有较高 的出能量 微生物选择 系统可靠性
目前微生物燃料电池的输出能量相对较低，需要 进一步提高效率。
不同的微生物对于废料的降解能力和电子转化效 率有所差异，需要筛选合适的微生物。
微生物燃料电池需要保证长期稳定运行，提高系 统的可靠性和实用性。
微生物燃料电池的组成部分
生物阳极
这是一个支持微生物生长和 氧化过程的电极，通常由碳 材料制成。
电解质
电解质用于隔离阳极和阴极， 同时允许离子的传输。
阴极
阴极是电化学反应的场所， 它与阳极连接形成电子流。
微生物燃料电池的应用
1 可再生能源
微生物燃料电池可以将有 机废料转化为电能，提供 可再生的能源。
微生物燃料电池原理与应用
微生物燃料电池原理与应用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种利用微生物氧化有机物产生电能的装置。
它基于微生物的电化学反应来产生电力，将化学能直接转化为电能。
微生物燃料电池的原理是通过利用微生物的代谢作用将有机废物（如人类粪便、废水等）中的化学能转化为电能，实现能量回收和减少污染物的排放。
该技术有着巨大的潜力，能够广泛应用于废水处理、能源生产和环境保护等领域。
微生物燃料电池中的关键组成部分是阳极和阴极。
阳极是微生物活动的场所，它提供了一个良好的电子传递通道。
通常情况下，阳极材料是由导电性好的物质构成，如碳纳米管、碳纳米颗粒等。
阴极则是电子和氧气进行还原反应的场所，它常常使用氧化剂（如氧气或氯离子）来参与电子转移反应。
阳极和阴极之间的电子传递通过外部电路完成，从而产生电能。
微生物燃料电池的关键是利用微生物的代谢作用。
在阳极的表面，微生物通过氧化有机物来产生电子和质子。
微生物中的电子经过阳极材料传递到外部电路中去，形成电流。
同时，微生物释放质子到电解质中去。
质子在电解质中通过离子交换膜传递到阴极处与氧气结合，还原发生的氧化反应，并接受电子，形成水。
这个过程实际上是微生物通过氧化有机物来释放能量，将化学能转化为电能。
这个电能可以直接用来驱动负载，如电灯、泵浦等。
微生物燃料电池的应用非常广泛。
一方面，它可以作为一种有效的废水处理技术。
通过将微生物燃料电池应用于废水处理厂，可以不仅处理废水中的有机物，还能够产生电能。
这就在一定程度上实现了能源回收和环境保护的双重效果。
另一方面，微生物燃料电池还可以应用于能源生产。
有机废物广泛存在于农村、城市和工业生产中，通过利用微生物燃料电池来转化这些有机废物为电能，可成为一种可再生能源来源。
此外，微生物燃料电池还可以应用于生物传感器和无源传感器等领域。
尽管微生物燃料电池具有广泛的应用前景，但目前仍然有一些挑战需要克服。
首先，阳极材料的选择和优化对微生物燃料电池的性能至关重要。
生物燃料电池的工作原理及其应用
生物燃料电池的工作原理及其应用生物燃料电池是一种利用微生物或酶类催化物氧化有机物生成电能的电池。
它是一种新型的可再生能源技术，可以利用生物质、有机垃圾、农业废弃物等可再生资源，将其转化为电能。
生物燃料电池具有结构简单、环保无污染、能量密度高、装置便携等优点，具有广泛的应用前景。
一、生物燃料电池的工作原理生物燃料电池的工作原理是通过微生物或酶类催化物将有机物氧化成无机物，从而产生电流。
生物燃料电池主要有两种工作机制：微生物燃料电池和酶催化燃料电池。
1. 微生物燃料电池微生物燃料电池是利用微生物催化物将废弃物或生物质转化为电能。
微生物燃料电池包括两种类型：一种是微生物生产电流燃料电池（MFC），另一种是微生物生产氢气燃料电池（MBFC）。
MFC的原理是利用微生物合成有机物质并在阳极上进行氧化反应，同时在阴极上进行还原反应，这种反应可以产生电流。
MBFC的主要反应是通过微生物将废弃物或生物质转化成氢气，然后在阳极上进行氧化反应，同时在阴极上进行还原反应，从而产生电流。
2. 酶催化燃料电池酶催化燃料电池是利用酶类催化物将废弃物或生物质转化为电能。
酶催化燃料电池主要分为直接电子转移酶催化燃料电池（DET-MFC）和间接电子转移酶催化燃料电池（IET-MFC）。
DET-MFC是直接将底物化学能转换为电能，该反应是通过电子转移方式实现的。
IET-MFC是通过酶类催化物介导电子转移实现的。
二、生物燃料电池的应用生物燃料电池具有广泛的应用前景，主要应用领域包括环境保护、生物传感、能源供应等。
1. 环境保护生物燃料电池可以通过利用生物质、有机垃圾等废弃物，将其转化为电能。
这种技术可以有效降低废弃物的排放量和环境污染，达到环境保护的目的。
2. 生物传感生物燃料电池可以被用作生物传感器，通过监测微生物代谢产物或酶催化物代谢产物来分析环境中的有害物质，如氨、硫化氢等。
这种技术可以在不使用外部电力和电池的情况下，实时监测水质、土壤和大气环境中的有害物质。
《微生物燃料电池MF》课件
对环保产业的贡献
微生物燃料电池可以解决能源供应和环境保护 的问题，促进环保产业发展。
内部部件
包括电极、降解废水槽等内部组件。
原理
1
微生物降解废水产生电子
微生物通过降解废水中的有机物，产生大量的电子。
2
电子转移至电极
产生的电子通过传导通道转移到电极上，形成电流。
3
电极通过外部电路流回微生物
电流经过外部电路回流到微生物体系，实现电子循环。
应用
应用场景
微生物燃料电池广泛应用于废水处理、能源生产等 领域。
实际应用案例
应用于农村电网建设、微型电子设备等。
优缺点
优点
• 可再生能源本 • 技术难题
研究进展
1
最新研究进展
利用纳米材料改善微生物燃料电池效率。
2
未来研究方向
探索更高效的微生物种类，提高微生物燃料电池的能量转化率。
结论
微生物燃料电池的前景
微生物燃料电池是可持续发展的一大方向，有 望广泛应用于能源领域。
《微生物燃料电池MF》 PPT课件
微生物燃料电池（MF）是一种创新的可再生能源技术，利用微生物降解废水 产生的电子来产生电能。
介绍
燃料电池的概念是利用化学反应转化为电能的设备。微生物燃料电池是一种特殊类型的燃料电池，利用微生物 降解有机物时产生的电子来生成电能。
构成
外部电路
将电子流动转化为可用电能的电路部分。
微生物燃料电池
新型化学电源生物燃料电池及其发展前景摘要：微生物燃料电池是以微生物为催化剂，通过降解有机物将化学能转化成电能的一种新型发电装置。
它能够利用废弃物和生活垃圾等生物资源进行发电，还能有效地处理废水，并能从实际的可生物降解的有机物中生物制氢，为有效获取氢能开辟了新途径，在环境保护和新能源开发等领域具有广阔的应用前景，因此成为上述领域当前的研发新热点1.生物燃料电池简介1.1、生物燃料电池定义所谓的生物燃料电池(Biofuel cell)，就是按照燃料电池的原理，利用生物质能将有机物(如糖类等)中的化学能直接转化成电能的一种电化学装置。
1.2、生物燃料电池分类目前有人将生物燃料电池分为间接型和直接型两种。
在间接型生物燃料电池中，由水的厌氧酵母或光解作用产生氢等电活性成分，然后在通常的氢- 氧燃料电池的阳极上被氧化。
在直接型生物燃料电池中，有一种氧化还原蛋白质作为电子由基质直接转移到电极的中间物根据电池中使用的催化剂种类，可将生物燃料电池分为微生物燃料电池和酶燃料电池两种类型。
1.3、两种生物燃料电池工作过程简介典型的微生物燃料电池由阳极室和阴极室组成，质子交换膜将两室分隔开。
它的基本工作原理可分为四步：(1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子；(2) 介体捕获电子并将其运送至阳极；；(3) 电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室；(4) 氧气在阴极接收电子，发生还原反应。
酶燃料电池：葡萄糖在葡萄糖氧化酶和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，再经外电路到阴极。
双氧水得到电子，并在微过氧化酶的作用下还原成水。
2 MFC 的工作原理典型的微生物燃料电池（M F C ）微生物燃料电池工作原理图由阴极区和阳极区组成，两区域之间由质子交换膜分隔。
MFC 的工作原理是：在阳极表面，水溶液或污泥中的有机物，如葡萄糖、醋酸、多糖和其他可降解的有机物等在阳极微生物的作用下，产生二氧化碳、质子和电子。
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醌类等电子传递体，可将
电子由细胞膜内转移到电 极上。
碱菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠
球菌(Enterococcusgallinamm)和铜
绿假单胞菌
(PseudomonaSaemginosa)等。
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微生物燃料电池的组成
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1 7
微生物燃料电池（MFC）
汇报人：xxx
日期：2017.12.20
概念
MFC （ microbial fuel cell ）：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的装置。在微 生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温 常压下进行能量转换。 • SMFC：沉积物微生物燃料电池 • MEC(Microbial Electrolysis Cell): 生物 电 解 池 • PEM(Proton Exchange Membrane):质子交换膜
目录
2
3 4 5
未来研究趋势及展望 基础研究案例分析
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e-
MFC的基本原理
e负载
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧 化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳
CO2
O2
极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路
产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，
eeH+ 有机物 微生物 H+ H2O
与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所 示： 阳极反应： (CH2O)n＋nH2O nCO2＋
在微生物燃料电池中加入
适当的介体，会显著改善电子 的转移速率。
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微生物燃料电池的分类
无介体微生物燃料电池
可使用微生物
目前发现的这类细菌有腐败希
指微生物燃料电池中 的细菌能分泌细胞色素、
瓦菌(Shewaulella putrefaciens)、 地杆菌(Geobacteraceae），酸梭 菌(Clostridium butyricum)及
2002 年后
1991 年
20 世纪 80 年代末期 1910年
此提出了无需外加电子传递介体
的微生物燃料电池，使微生物燃 料电池的研究又进一步有了突飞 猛进地发展。 近几年, MFC的研究已经成为治 理和消除环境污染源,开发新型 能源研究工作者的关注热点。
1
CONTENTS
研究背景与发展现状
微生物燃料电池概述 微生物燃料电池的应用
范采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展； 英国植物学家马克· 比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的 培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研
究的序幕；
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发展现状
人们发现一些细菌可以直接将电 子传递给固体导体，如阳极，由
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微生物燃料电池的组成
组成成分
阳极 阴极 阳极室 阴极室 质子交换膜 电极催化剂
原料
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳 石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳 玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃 玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃 质子交换膜、盐桥、玻璃 珠、玻璃纤维和碳纸 铂、铂黑、聚苯胺、固定 在阳极上的电子介体
标注
必需 必需 必需 非必需 必需 非必需
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微生物燃料电池的组成
一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨 等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。
阳极材料
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微生物燃料电池的组成
阳极研究进展
阳 极 产 电 机 制
微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图:A.直接接触;B.纳米导线;C.氧化还原介体;D.还 原态初级代谢产物原位氧化
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微生物燃料电池的组成
细菌通过其纳米级的纤毛 或菌毛实现电子传递，该 菌毛或纤毛称为纳米电线 （nanowire）。
双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，膜材料，
阴阳极板材料等)。 单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴 阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低， 只有30％。
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微生物燃料电池的分类
介体微生物燃料电池
微生物细胞膜含有肽键或 类聚糖等不导电物质，对电子
根据营养类型
异养 异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；
光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌)利用光能 和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；
光能异养
沉积物型
沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差
产生电能。
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微生物燃料电池的分类
依据微生物燃料电池的外型分类
阳极室
PEM
阴极室
4ne-＋4nH+
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+ 2H2O
图1.微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell
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MFC的基本原理
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微生物燃料电池的分类
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微生物燃料电池的分类
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CONTENTS
研究背景与发展现状
微生物燃料电池概述 微生物燃料电池的应用
目录
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未来研究趋势及展望 基础研究案例分析
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研究背景
目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续
发展的两大根本性问题。
大气污染：酸雨，光化学烟 雾，温室效应等 化石燃料的的使用
土壤污染：重金属沉积等
水环境污染：含矿废水
因此，寻求可再生的新能源已引起广泛的关注，微生物燃料电池是一种可以实现 能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下微生物燃料电池作为一种可利用有机废
物产能的装置正走向世界能源的舞台。
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发展现状
2002 年后
1991 年
20 世纪 80 年代末期 1910年
开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的
介体应该具备的特性
• 介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞
内部的还原组分； • 其氧化还原式量电位要与被催化体系的
传递造成很大阻力，需要借助
介体将电子从呼吸链及内部代 谢物中转移到阳极。
电位匹配；
• 其氧化态不干扰其它的代谢过程； • 其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； • 其氧化态必需是化学稳定的、可溶的， 并且在细胞和电极表面均不发生吸附； • 其在电极上的氧化还原反应速率非常快、 且有很好的可逆性。