电化学论文

天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池 学 院 化工学院 专 业 生物工程 年 级 2015级本科一年级 姓 名 冯国政 学 号 ********** 指导教师 王为 2016年5月14日 天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池 天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池

1 浅谈生物电池

摘要 从我们读到的文献上发现目前生物电池按照作用机理可以大致以下两类。

一是生物质产氢，然后利用氢能进行发电。二是生物直接在电极将有机物（如糖类）氧化，进行直接发电。按照产电的主体划分又可以分为酶燃料电池和微生物燃料电池。本文将主要讨论生物电池的历史、微生物燃料电池、酶生物燃料电池，还将对生物电池的前景进行展望。

1 生物电池的历史 早在1910年，英国植物学家就将铂作为电极置于大肠杆菌的培养液里，成功地制造出了世界上第一个细菌电池。1984年，美国科学家设计出一种用于太空飞船的细菌电池，其电极的活性物来自宇航员的尿液和活细菌。但当时的细菌电池发电效率较低。到了20世纪80年代末，细菌发电取得重要进展，英国化学家让细菌在电池组里分解分子以释放电子并向阳极运动产生电能。他们在糖液中添加某些诸如染料之类的芳香族化合物作为稀释液来提高生物系统输送电子的能力，而在细菌发电期间还需朝电池里不断充气并搅拌细菌培养液和氧化物的混和物。理论上，利用这种细菌电池每100g糖可获得1352930库仑的电能，其效率可达40%远高于当时使用的电池的效率，而且还有10%的潜力可挖掘。只要不断地往电池里添入糖就可获得2A电流，且能持续数月之久。利用细菌发电原理，人们正在构想建立细菌发电站。比如，基于10m见方的立方体容器内的细菌培养液，可建立起一个1000kW的细菌发电站，每小时耗糖量为200kg。发电成本虽然高一些，但这是一种对环境无污染的“绿色”电站。且随着技术的发展，完全可用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机物的水解物来代替糖液。因此，细菌发电的前景十分诱人。[1]

2 微生物燃料电池 2.1 微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池本质上是收获微生物代谢过程中产生的电子并引导电子产生电流的系统。（如图1）微生物燃料电池的功率输出取决于系统传递电子的数量和速率以及阳极与阴极间的电位差。由于微生物燃料电池并非一个热机系统，避免了卡诺循坏的热力学限制，因此，理论上微生物燃料电池是化学能转化为电能最有效的装置，最大效率有可能接近100%。[2] 其基本原理是微生物可以通过各种途径从燃料（葡萄糖、蔗糖、乙酸盐、废水）中获取电子，并将电子从还原性物质（如葡萄糖）转移到氧化性物质（如氧）以获得能量。获得的能量可按下式计算： ∆G=-n×F×∆E 式中 ∆G——获得的能量 n——电子转移的数量 F——法拉第常数，96485C/mol 天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池 2 ∆E——电子供体和受体间的电势差。

图1 微生物电池基本原理 以葡萄糖作为燃料电池的燃料，阴阳两极的电化学反应式如下： 阳极：C6H12O6+6H2O→24H++24e-+6CO2 ①

阴极：6O2+24e-→12H2O ②

如式①、式②所示，在阳极室中，微生物通过呼吸作用催化底物脱氢，产生电子，此时阳极电极作为临时的电子受体吸收电子，并通过回路将电子传递到阴极表面，O2作为最终电子受体与通过质子交换膜传递过来的氢质子结合生成H2O。

阳极室内，微生物产电、产氢并进行传递，是微生物燃料电池产电的关键。从动力学因素看，微生物自主放电的活化势比较高，使其在电极表面的反应速率低。所以培养驯化产电效率高的菌种以及扩大阳极表面积，富集更多微生物，生成更大面积的生物膜，是提高电能的方法。 目前，人们围绕产电性能的提高，从电池结构的设计、电极材料的选择、产电产氢菌的培养以及对电解质溶液环境（如pH值、温度、离子强度等）的改变等各个方面进行研究取得了一定的成果。[3]

2.2 微生物燃料电池的优势 与传统电池技术相比，微生物燃料电池技术具有操作上和功能上的优势。 （1）它将底物直接转化为电能，保证了具有极高的能量转化效率。 （2）微生物燃料电池在常温常压甚至是低温环境条件下有效运作，电池维护成本低、安全性强。 （3）微生物燃料电池所产生的废气的主要成分是CO2，不会产生污染环境的副产物。 （4）微生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的微生物燃料电池可以直接植入人体。 （5）在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池可以被广泛应用。在化石燃料日趋紧张、环境污染越来越严重的今天，微生物燃料电池以其良好的性能向我们展示了一个美好的发展前景。[4] 2.3 微生物燃料电池的研究进展 微生物燃料电池与微生物的呼吸密切相关。在微生物燃料电池中，微生物氧化有机物，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到燃料电池电极上产生电流，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长，这一过程被认为是一种新的微生物呼吸方式，即以电极为唯一电子受体的呼吸产能过程。电子从电子天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池 3 供体到Cytochrome c传递过程中产生的能量用于细胞的生长和代谢，而电子从Cytochrome c到O2传递产生的能量可以转化MFC的电能.所以说微生物呼吸是MFC的重要理论基础。 利用电极作为唯一电子受体的发现，给MFC的研究与开发带来光明的前景。因为微生物产电不是与其生存直接相关的自然选择压力，只是厌氧呼吸过程的延伸。所以微生物的产电效率在自然条件下是很低的。因此对现有的产电微生物进行驯化改良是进一步提高产电微生物的产电效率重要一步。其主要途径之一是对微生物进行基因工程改造，例如增加某个基因过量表达与电极直接接触的膜蛋白，提高电子传递率。另外还可以通过增加选择压力, 迫使微生物本身向着高产电效率的方向进化。对于产电微生物的驯化目前还没有大的进展。[5]

3 酶生物燃料电池

3.1 酶生物燃料电池的原理及现状 在早期的生物燃料电池系统中，更多地用气体扩散电极与酶阳极或阴极相匹配，用两种不同酶电极的酶燃料电池较少。近年来，随着修饰酶电极技术的发展，大多数酶燃料电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外，使用固定酶电极的酶燃料电池为了防止两电极间电极反应物与产物的相互干扰，一般将正、负电极用质子交换膜分隔为阴极区和阳极区，即两极室酶燃料电池，这与传统电池阴极/隔膜/阳极的结构相仿。（如图2）1999年出现的无隔膜酶燃料电池，取消了隔膜、电池外壳和相应的密封结构，可更方便地制备微型、高比能量的酶生物燃料电池。

图2 酶燃料电池的基本结构模型 3.2 酶燃料电池的研究进展 至今实用型酶燃料电池的开发尚处于基础研究阶段，真正的应用性成果还较少。由于生物传感器与酶燃料电池之间存在很多技术交叉，因此生物传感器研究也促天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池 4 进了酶燃料电池研究的发展，表现在固定酶电极的修饰材料、酶电极的稳定性、酶催化的选择性等方面。但与生物传感器使用时消耗能量不同，酶燃料电池是产生电能的装置，两者在工作电流(响应电流)、电压、工作稳定性、抗干扰性等方面的要求存在一定差别。 酶燃料电池需要在几个月甚至更长的时间内连续稳定工作，这不仅要求电极修饰材料具有一定的生物相容性，而且要求酶必须适应人体生理环境或其它使用环境，以保持长期工作下酶的催化活性。这对于氧化还原酶来说还比较困难，因此目前的酶燃料电池连续工作时间较短，一般在几天至一个月左右。电池寿命主要与酶的特性有关，温度、pH值、溶液中离子的组成与浓度等环境因素也会有很大影响。[6]

4 生物电池前景展望

4.1 对微生物燃料电池的前景展望 （1）在偏远地方为电子监控设备提供电能。这一应用有望可以在短期实现。华盛顿大学和俄勒冈州立大学的研究人员合作开发了一套利用海洋污泥的微生物燃料电池系统，这个系统能够有效的为海上分析检测设备提供电源。微生物燃料电池还可以在诸如深海底部和国土安全的军事“特殊区域”具有潜在用途。 （2）废水处理。在废水中，一般含有丰富的有机物质。利用MFC不仅可以净化水质，还可以发电。因此微生物燃料电池有望可以把废水处理变成一个有利可图的产业，是微生物燃料电池最有发展前景的方向。 （3）生物修复。通常情况下，为了促进有毒污染物的生物降解，加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸。电极可以作为电子受体支持微生物呼吸，达到降解污染物的目的。 随着微生物燃料电池在未来的不断进步和发展，将会有越来越多的应用领域。有人预测在宇航员的太空旅行中，可以用到太空废物支持微生物燃料电池产能。[7]

4.2对酶生物燃料电池的前景展望 酶燃料电池原料来源广泛、生物相容性好、在常温常压和中性溶液环境中工作、可以用多种天然有机物作为燃料，是一种可再生的绿色能源，可为微型电子装置提供电能。在疾病的诊断和治疗、环境保护以及航空航天等领域具有诱人的应用前景。 近几年，国内外对酶生物燃料电池的研究不断深入。酶燃料电池的进一步研究和发展需要多学科、多领域的研究人员的广泛参与，共同合作。相信酶燃料电池作为一种绿色能源会再能源和医疗等领域发挥巨大的作用。[8]

参考文献 [1]吴祖林,刘静. 生物质燃料电池的研究进展. 北京：电源技术1002-087X（2005）05-0333-08