图解微生物电池
生物电池的工作原理
生物电池的工作原理生物电池，也被称为微生物燃料电池，是利用微生物催化剂将有机物氧化转化为电子能，并通过电化学反应将其转化为电能的一种新型电池。
生物电池具有独特的工作原理，本文将对其进行详细介绍。
一、生物电池中的催化剂生物电池中的催化剂主要是微生物，包括细菌、微藻、真菌等。
这些微生物具有氧化或还原有机物的能力，以维持其生长和代谢活动。
在生物电池中，这些微生物被生物阴极和阳极所固定，通过与电极接触来催化电子传递反应。
二、生物电池中的阴极反应在生物电池的阴极，通常使用氧气或其他氧化剂作为电子受体。
催化剂微生物将有机物在阴极附近进行氧化反应，释放出氢离子和电子。
这些电子通过电极外部的导线传输，形成电流，供应给外部电路使用。
三、生物电池中的阳极反应在生物电池的阳极，通常使用无机物质，如氨、硫化物或硫酸盐作为电子供体。
催化剂微生物在阳极附近发生还原反应，吸收电子，同时释放出氧化剂。
所释放的氧化剂与阴极反应的还原产物结合，完成整个反应的闭环。
四、电子传递途径在生物电池中，电子在微生物细胞内部通过细胞外膜电子传递链（ETC）进行传输。
微生物通过ETC将电子从细胞内部转移到电极表面，并与阳极或阴极上的电化学反应发生耦合。
这种电子传递途径在生物电池的电子传输效率上起着重要的作用。
五、生物电池的优势与应用生物电池的工作原理与传统化学电池有所不同，其优势主要体现在以下三个方面：1.可再生能源：生物电池利用有机物进行电子传输及电能转化，有机物广泛且可再生，因此生物电池具备可持续能源的特点。
2.环境友好：生物电池的工作过程中无需消耗大量的化石燃料，也不产生有害的废弃物和排放物，对环境具有较小的污染。
3.广泛应用：生物电池的工作原理适用于多种环境和条件，可以应用于废水处理、能源回收、生化传感器等领域。
综上所述，生物电池是一种利用微生物催化剂将有机物氧化转化为电能的电池。
通过生物阴极和阳极上的催化反应，产生的电子通过电极外部的导线传输，实现电能的转化。
高中化学二轮复习试题微生物燃料电池
2020届届届届届届届届届届届届届——届届届届届届届1.一种微生物[化学成分表示为C m(H2O)n]燃料电池的结构如图所示。
关于该电池的叙述正确的是A. 电池工作时,电子由a流向bB. 微生物所在电极区放电时发生还原反应C. 放电过程中,H+从正极区移向负极区D. 正极反应式为MnO2+4H++2e−=Mn2++2H2O2.以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。
关于该电池的叙述正确的是( )A. 该电池能够在高温下工作B. 电池的负极反应为C6H12O6+6H2O−24e−=6CO2↑+24H+C. 放电过程中,H+从正极区向负极区迁移D. 在电池反应中,每消耗1 mol氧气,理论上能生成标准状况下CO2气体22.4/6L3.微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。
某微生物燃料电池的工作原理如图所示,下列说法正确的是A. 若该电池电路中有0.4mol电子发生转移,则有0.45molH+通过质子交换膜B. 电子从b流出,经外电路流向aC. 如果将反应物直接燃烧,能量的利用率不会变化D. HS−在硫氧化菌作用下转化为SO42−的反应为：HS−+4H2O−8e−=SO42−+9H+4.微生物燃料电池具有广阔的应用前景。
以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池反应原理如图所示。
下列有关该电池的说法正确的是( )A. 该电池工作时电能转化为化学能B. 该电池中电极b是正极C. 外电路中电子由电极a通过导线流向电极bD. 该电池的总反应：C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O5.一种微生物燃料电池如图所示,下列关于该电池的说法正确的是（）A. a电极发生还原反应B. 每反应1 mol乙酸,电路中转移4 mol电子C. H+由右室通过质子交换膜进入左室D. b电极反应式为2NO 3−+10e−+12H+=N2↑+6H2O6.一种三室微生物燃料电池污水净化系统原理如下图所示,图中有机废水中的有机物可用C6H10O5表示。
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，是一种能将有机物转化为电能的电化学装置，它是利用微生物的代谢过程将有机物氧化成二氧化碳和水的同时，分离出电子并利用这些电子来发电的过程，因其被广泛认为是一种环保、高效的发电方式而备受关注。
一、微生物燃料电池的原理微生物燃料电池可分为两种类型：微生物燃料电池和微生物电解池。
微生物燃料电池的基本构成是阴极和阳极，分别连接有一个外部电路和一个离子传递膜。
阴极氧化还原电位低，阳极则相反，二者间产生电势差，从而使溶解在电解液中的电子从阳极流向阴极。
微生物燃料电池的电子传递与有机物的代谢结合在一起，其微生物催化反应是由微生物代谢产生的活性物种，例如：酵母菌、细菌等进行的。
微生物燃料电池的原理基于微生物的一种叫做“膜质电子传递”的过程，这个过程在微生物细胞内构成一个非常复杂的代谢网络，因此在实践中实现此原理的操作难度非常大。
在微生物燃料电池中，微生物以有机物为代谢物，通过酶促反应分解代谢物，释放负电子给阳极，带上质子沿着固定的质子通道进入阴极，在阴极与正氧还原反应中，与外部的氧气结合，释放电子产生电流。
总的来说，微生物燃料电池利用微生物代谢作为电流来源，通过交互作用将化学能转化为电能，实现了燃料与电能的互换，为电能领域的研究和发展开辟了新的道路。
二、微生物燃料电池的应用微生物燃料电池可应用于各环境下人们的电力供应，其中地下水、土壤等环境下的微生物燃料电池使用最为广泛。
目前，微生物燃料电池用于发电和废弃物处理已成为研究热点，已有微生物燃料电池的废水处理工厂在运行中。
微生物燃料电池主要应用于下列环境：1. 地下水：微生物燃料电池可以利用地下水种群的生物活性来产生电，并对水质进行监测，是一个理想的地下水检测工具。
2. 生物土壤：通过微生物燃料电池，土壤中的有机物质可以被清除而发电产生热能。
微生物燃料电池在荒野中同样适用，它可以优化废弃物的输送，防止水体污染。
3. 医疗应用：很多手术器械和生命维持设备使用电池供电，如心脏起搏器、胰岛素泵等设备，当电池能量耗尽时将导致严重的后果。
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
微生物燃料电池骆沁沁20914133摘要：微生物燃料电池以微生物作为催化剂，直接把化学能转化为电能，具有燃料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好等优点。
本文简述了微生物燃料电池的工作原理及其最新的研究进展：主要是无介体微生物燃料电池的研究和高活性微生物的选用。
最后对微生物燃料电池的发展方向作出展望。
关键词：微生物燃料电池原理研究进展Abstract: Microbial fuel cell is a device converting chemical energy into ele ctrical energy directly with the microbial-catalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction and good biology consistence. After the principles of microbial fuel cell introduced briefly, the research progress was reviewed. Researching mediator-less microbial fuel cell and high-activity microbial are the new direction in the study of microbial fuel cell. At last, the prospects of microbial fuel cell were described.Key words: microbial fuel cell, principles, the research progress1 前言近些年来，化石燃料（煤、天然气、石油）的使用量逐年大量递增，据国内外学者统计，化石燃料的储备量仅能提供全球未来250年的能源使用，这引起了全球性的能源危机。
微生物脱盐电池的原理
微生物脱盐电池的原理
微生物脱盐电池是一种新型的环保技术，它利用微生物的代谢产物来实现海水淡化和废水处理。
该技术具有高效、低成本、低能耗等优点，被广泛应用于海水淡化、饮用水制备、轮换农田用水等领域。
微生物脱盐电池的原理是利用微生物在电极表面的代谢活动，将电极表面的盐分转化为氯离子，并通过电极的传导作用将氯离子排泄到水中，从而实现脱盐。
微生物脱盐电池主要由电极、微生物和盐水组成。
电极是微生物脱盐电池的核心部件，它分为阳极和阴极两种，阳极上的微生物可以利用盐分进行呼吸作用，产生电流，而阴极则可以将电流转化为化学能，促进微生物的代谢活动。
微生物脱盐电池的操作过程比较简单，首先需要将盐水注入电池中，然后通过电极的传导作用将微生物吸附在阳极表面，使其进行代谢作用，产生电流。
在代谢过程中，微生物会将阳极表面的盐分转化为氯离子，并通过电极的传导作用将氯离子排泄到水中，实现脱盐。
脱盐过程中，阴极则会将电流转化为化学能，促进微生物的代谢活动。
微生物脱盐电池的优点主要有以下几个方面：首先，它具有高效性，可以在较短时间内实现海水淡化和废水处理；其次，它具有低成本和低能耗的特点，可以大幅降低脱盐和废水处理的成本；此外，微生物脱盐电池还可以实现环保效果，减少化学废物的排放，保护环境。
微生物脱盐电池的应用前景非常广阔，已经被广泛应用于海水淡化、饮用水制备、轮换农田用水等领域。
未来，随着技术的不断发展和创新，微生物脱盐电池的应用前景将会更加广阔，有望成为一种重要的环保技术。
生物燃料电池(MFC)
MFC1. 什么是生物燃料电池（MFC)(07/17/2007)从生物/微生物中提取电能在20世纪初就被发现,直到20世纪70年代陆续有研究文章发表.1980年开始,一些英国的研究者做了不少关于微生物燃料电池(microbial fuel cell---MFC)研究,持续了10年. 到90年代末,美国的一些研究者把这个题目找出来逐步"发扬光大"。
可能因为能源危机的问题,现在MFC的研究表现的越来越热.在这方面做的比较好的是比利时的一个研究组,他们的电池功率目前是最高的.Penn State的Bruce Logan发表的文章最多. 另外Umass的DR Lovley刚拿到一个huge grant $ 23 M, 估计接下来的几年会做出不少的东西.MFC和Fuel cell显著的区别就是anode: MFC在anode里用微生物或者生物酶做催化剂,一般没有Pt.因为生物的存在,anode的温度就不可能很高,一般MFC的运行温度在室温和37C之间.燃料则是"有机物",用于microbe生长. microbes在降解有机物(比如葡萄糖)的时候,产生protons 和electrons,其余的原理就和fuel cell一样了.MFC的cathode也用Pt或者其他化学药品(例如ferricyanide) 来促进反应. MFC产生的功率远小于Fuel cell,最高也就是几W/m2,现在可能提高了一些. 因为MFC和fuel cell应用不同,所以不需要那么高的功率输出. 另外,MFC可能会用于大型反应器,所以anode 的电极不大会用carbon paper,而用一些表面机更大的,象graphite granular;现在计算MFC功率的时候,一般用anode volume (W/m3),而不是电极表面积. MFC 的future application可能是废水处理过程,因为废水可以提供"免费"的有机物让微生物来降解,并且产生电能,一箭双雕. 目前废水处理过程也产生能量,比如甲烷气(methane). 因为methane还需要额外的步骤来发电,而MFC可以一步到位,所以如果MFC可以有high efficiency,比传统的废水处理过程要有不少优势(如果可以达到高效的话).MFC2. 微生物燃料电池中生物阴极的应用(09/04/2007)发展背景微生物燃料电池(microbial fuel cell - MFC)是一种特殊的电化学电池. 它通过微生物在阳极降解有机物产生电子. 而在阴极, 阳极产生的电子和正离子还原氧气,最终产物为水. 电子从阳极到阴极的传输产生电流. 第一个生物电流的实验证明是在十八世纪晚期,Luigi Galvani发现,当用金属导体把青蛙腿连接起来的时候, 有电流反应产生. 为了进一步研究生物电流, Michael C. Potter在1911年建立了第一个微生物燃料电池. 1931年, Barnett Cohen发现在阳极加入铁氰化钾(potassium ferricyanide) 或者苯醌(benzoquinone) 作为电子传输中介物,可以提高电流. 虽然在二十世纪六十年代微生物燃料电池成为一个研究热点, 但是研究人员还无法成功地建造一个可以持续运行的实验装置. 八十年代,英国的研究人员H. Peter Bennetto 成功利用单种细菌和电子传输中介物通过氧化有机物来发电. 同时, 日本的研究人员发现光合自养型的细菌可以把光能转化成电能. 在过去的十年中,因为全球能源危机问题, 微生物燃料电池引起了越来越广泛的关注. 研究的方向包括理解电子传输的机理和建造实用的反应器装置.非生物阴极非生物阴极大多利用氧气为最终电子接收物,也有研究过氧化氢作为阴极氧化物. 因为氧气还原效率在碳/石墨表面很低, 所以通常情况下,阴极反应需要催化剂或者电子传输中介物. 铂是目前使用最广泛的阴极催化剂,但是其材料昂贵, 催化性能容易被一些特殊物质污染.另外, 微生物燃料电池阴极溶液的pH值会随反应而升高, 从而限制铂的催化能力. 电子传输中介物大多是一些含有过渡金属的化合物,比如含铁和钴的物质.生物阴极传统的微生物燃料电池是”半生物性的”,因为只有阳极存在生物反应,而阴极通常采用金属催化剂来完成还原氧气的反应. 但是, 微生物在阴极的生长是不可避免的. 研究人员已经发现了几种在阴极的生物新陈代谢过程,为研究生物阴极开启了大门. 相比于非生物阴极,生物阴极有如下优点: (一) 建造和运行微生物燃料电池的费用可能被降低,因为不再需要贵重金属催化剂, 也不需要添加化合物来作为电子传输中介; (二) 生物阴极可以提高微生物燃料电池的可持续性; (三) 生物阴极里的微生物活动可以被用来产生有用的物质或者去处污染物. 总的说来,生物阴极可以被分为好氧(氧气为最终电子接受物)和厌氧(其他非氧气物质为最终电子接受物)生物阴极.好氧生物阴极氧气是应用最广泛的阴极电子接受物. 氧气有很高的氧化还原电位, 而且大量存在于空气中,降低了使用费用. 好氧生物阴极的一个研究重点是利用过渡金属化合物, 包括锰和铁,协助电子从阴极传输过氧气. 高价位的金属充当临时电子接受物, 从阴极接受电子,通过微生物的”呼吸作用”被还原成低价位金属. 然后低价位的金属被氧气氧化回到高价位, 将电子传输给氧气. 在这个循环过程中,电子从阴极被传送到氧气. 另一种好氧生物阴极则是通过藻类的光合作用为阴极反应提供氧气. 实际应用中, 上述的这些机理可能同时发生. 例如, 研究人员发现海洋生物膜可以提高氧气还原效率. 在这个过程中, 锰化物可能参与电子传输; 另外,藻类的生长也不可避免.厌氧生物阴极在没有氧气的时候,其他物质, 例如硝酸盐,硫酸盐,铁化物和锰化物, 也可以作为最终电子接受物. 其中, 硝酸盐,铁化物和锰化物具有接近氧气的新陈代谢活性,是潜在的替代氧气的阴极电子接受物. 厌氧生物阴极的一个优点就是可以防止氧气通过正离子交换膜渗透到阳极,从而影响到阳极的厌氧微生物生长. 目前为止, 只有硝酸盐和硫酸盐被用于研究. 硝酸盐(+0.74Ｖ)的氧化还原电位比硫酸盐（-0.22V）更接近氧气(+0.82V), 所以更适合做为阴极电子接受物. 利用硝酸盐进行阴极反应, 与硝化反应类似,唯一不同的地方是, 硝化反应通过氧化有机物得到电子, 而生物阴极则依靠阴极供给电子. 比利时的研究人员已经成功将硝酸盐用于阴极的还原反应, 为微生物燃料电池应用在污水处理中的可行性提供了进一步的实验证明.小结生物阴极是一项使微生物燃料电池更具优势和可持续性的技术. 在实现这项技术之前, 我们必须理解阴极的生物电子传输机制, 以便于更合理地选择和利用微生物.MFC3. 微生物燃料电池中的共生现象(09/18/2007)共生现象在自然界普遍存在, 比如动物体内的寄生细菌降解一些动物肠胃无法消化的物质,同时也获取用于自身生长的能量. 再比如, 一种小鸟从鳄鱼的嘴中获取食物, 即帮助鳄鱼清洁了牙齿,同时也利用鳄鱼的嘴做为保护自己的场所, 两者和睦相处. 共生现象有几种类别, 有双方彼此都受益的,也有一方受益另一方不受益, 甚至还有一方受益而另一方受害的. 在废水处理中, 也存在共生现象. 一个典型的代表就是厌氧消化过程中,发酵细菌将复杂的碳水化合物分解成相对简单的有机物(酸). 这些发酵产物随后被其他细菌消食, 例如,醋酸化合物可以被甲烷菌(注: 严格意义上, 甲烷菌不是细菌-bacteria, 而是archaea)利用产生甲烷气体. 微生物燃料电池的阳极类似于废水处理中的厌氧消化过程, 因此, 微生物之间的共生现象不可避免. 最近, 宾州州立大学和麻省大学艾莫斯特分校的研究人员先后发表论文, 从不同的角度研究和探讨了阳极的共生现象.宾州州立大学的研究人员利用细菌Clostridium cellulolyticum分解纤维素, 其产物被另一种细菌Geobacter sulfurreducens用于厌氧呼吸(anaerobic respiration), 产生电子和电流. 纤维素是一种富含有机物的生物物质, 也是一种潜在的生物能源(bioenergy)的载体. 但是它很难被直接利用,需要进行预处理和水解成为简单的碳水化合物,比如葡萄糖. 只有很少的一些微生物(bacteria and fungi)或者特殊的生物酶可以水解纤维素, 产物包括氢气, 醋酸物和乙醇. Clostridium是一种专性厌氧细菌, 因其降解纤维素的特殊能力而受到工业届的广泛重视. 在这项研究中, 科研人员设计了对照实验, 证明C. cellulolyticum可以分解纤维素,但无法产生电流; G. sulfurreducen无法利用纤维素生长,因而也没有电流产生. 但是,当把两种细菌混合起来的时候,微生物燃料电池产生出了电流. 而且, 当G. sulfurreducen存在的时候, 纤维素(carboxymethyl cellulose-CMC)的降解效率比C. cellulolyticum单独生长的时候提高了18%. 这项研究的创新之举在于首次利用特殊的细菌在微生物燃料电池降解非水溶性的有机物, 并且用实验展示了两种细菌在发电过程中的共生关系. 此外, 实验结果也进一步论证了发酵过程和厌氧呼吸过程的结合可能比单一菌种的活动更加有利于能量的产生.麻省大学艾莫斯特分校的研究则是关于两种都可以进行厌氧呼吸,利用三价铁做为电子接受物的细菌, Geobacter sulfurreducens和Pelobacter carbinolicus. 前者是已知的可以发电的细菌, 而后者被大量发现于建立在水沉积物中的微生物燃料电池的阳极上. 通常意义上, 可以还原三价铁氧化物的细菌都可以利用阳极作为电子接受物, 但是实验结果表明P. carbinolicus基本不具备这样的能力. 科研人员发现, 当乙醇作为微生物燃料电池的燃料, G. sulfurreducens不能够代谢这种燃料; P. carbinolicus可以将乙醇用于生长,但是不能产生电流. 混合生长的时候, 乙醇被P. carbinolicus转化为氢气和醋酸物, 然后G. sulfurreducens 利用这些产物发电. 共焦显微镜(confocal)和对16S rRNA基因的分析表明, 两种细菌在阳极表面的数量几乎相等, 但是在阳极水溶液中, 绝大多数是P. carbinolicus. P. carbinolicus 是第一种可以还原三价铁氧化物却不能在微生物燃料电池中产生电流的细菌. 与其他可以产生电流的细菌相比, P. carbinolicus缺乏外细胞膜的细胞色素(cytochrome), 一种被认为是连接细胞内部和阳极的可导电的蛋白质.微生物燃料电池研究的一个关键问题就是理解阳极微生物的活动和它们之间的相互作用. 利用单一菌种(pure culture)来研究共生现象将对认识阳极微生物的新陈代谢和电子传输过程有重要的帮助.MFC 4. 沉积物微生物燃料电池工作原理沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell) 的工作原理与微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell) 类似, 但是反应器结构要简单很多. 在沉积物微生物燃料电池中, 作为阳极的电极被埋在水底沉积物的浅层中(1-10厘米深), 而作为阴极的电极则悬于阳极上方的水中. 不同于常规的微生物燃料电池, 沉积物微生物燃料电池不需要使用离子交换膜将阳极和阴极分开, 而是利用水中溶解氧浓度由浅至深逐渐减少自然地把阳极和阴极分成缺氧区和有氧区. 因此, 在沉积物和水体的界面上自然形成了一个氧化还原的梯度, 使阴,阳电极之间可以产生大约0.7 V的开路电压. 水底沉积物含有多种厌氧细菌, 可以将经过多年沉降积累的有机物分解, 并把电子传输给阳极. 而悬在含溶解氧相对高的水中的阴极则接受电子, 完成氧气还原反应. 一些特殊的沉积物微生物燃料电池采用牺牲阳极和生物阴极(参见下文).优缺点沉积物微生物燃料电池的优点就是结构简单, 不需要太多的维护, 建造和运行费用低. 在自然水体中的长期运行会在阴极形成生物膜, 有可能帮助氧气还原反应. 但是,沉积物微生物燃料电池一般都不使用阴极催化剂, 而且沉积物中的有机物含量有限, 所以其功率输出也很有限. 沉积物微生物燃料电池的运行条件不象其他微生物燃料电池那样得到严格的控制, 在自然条件下会产生波动, 也会影响到功率输出. 此外, 因为水中溶解氧浓度随着水深不断降低, 沉积物微生物燃料电池不可能应用于太深的水体中, 也就是说, 不可能应用于离陆地太远的水体中. 华盛顿大学(圣路易斯) 的研究人员设计了一种可旋转的阴电极, 希望利用水流或者海潮来推动阴极旋转, 通过旋转将空气中的氧气带入水中, 提高阴极附近的溶解氧浓度.实际应用因为输出功率低, 沉积物微生物燃料电池的应用大多是为远程监测仪器提供电能. 这类电子设备不需要太高的电能, 也不需要频繁地维护. 尽管如此, 它依然是微生物燃料电池中最有可能在短期内投入到实际应用中的一种. 美国海军研究实验室已经研制开发了一种沉积物微生物燃料电池, 称为Benthic Unattended Generator, 简称BUG. 这种BUG被放置在河水或者海水底部, 为监测空气温度, 气压, 相对湿度和水温的电子仪器提供电能, 数据通过无线发射器(也由BUG 提供电能) 传输到附近的海军研究实验室. 蒙大拿州立大学的研究人员设计了一种由金属镁作为牺牲阳极, 和生物沉积锰化物作为阴极的沉积物微生物燃料电池. 该电池被设置在河底, 为一个无线传感器提供电能. 随着对微生物燃料电池的认识的不断加深和越来越广泛的新材料应用, 沉积物微生物燃料电池还可能被用做生物修复, 或者生态修复的一种手段.MFC5 微生物燃料电池阳极的电子传输机制生物燃料的前景因其潜在的环境影响和原材料来源等问题受到科学届的质疑. 但是, 随着储量有限的fossil fuel不断消耗, 寻求可再生能源成为全球性的紧急问题. 未来可替代性的能源组成应该是多元化的, 能源需求应该被多种形式分担, 既包括某些可提供大规模长期能源的形式, 也包括可提供局部小规模需求的形式.微生物燃料电池(microbial fuel cell – MFC) 是一种新型的”废水–能源” 转化方式. MFC的”原材料”是废水和废物, 不存在与人类争夺粮食(比如,生物乙醇的生产)的问题; 其过程也是清洁环境的过程, 因此它的环境影响是积极的. MFC不可能成为主要的能源提供者, 但是满足局部小规模的能源需求还是可行的. 目前, MFC研究的最主要问题就是理解微生物与电极(阳极; 绝对大部分阴极都是非生物性的)之间的相互作用(电子传输过程), 这是进一步提高MFC功率输出的基础. 虽然具体的电子传输机制还不是十分清楚, 但是在大体上,研究人员总结了两种电子传输机制: 直接电子传输(direct electron transfer – DET) 和间接电子传输(mediated electron transfer – MET). 笔者认为, 电子传输机制还可以按照另一种方式分类: 微生物的新陈代谢过程, 即, 微生物是否通过电子传输获得自身生长的能量. 电子传输实际上就是微生物的呼吸过程(respiration). 就好象人要通过呼吸氧气生存,微生物也需要通过”呼吸过程”获得生长的能量. 在这个过程中, 微生物分解有机和无机物质(electron donor), 产生电子, 并传输到最终电子接受物(terminal electron acceptor). 对于好氧微生物来说, 最终电子接受物为氧气; 而厌氧微生物的最终电子接受物为(亚)硝酸盐,(亚)硫酸盐,金属化合物和二氧化碳等等. 在MFC的阳极,电子接受物则为电极.当微生物可以通过”呼吸”阳极获得生长的能量, 同时产生电流时, 它们可以通过DET或者MET 来传输电子. 在DET过程中, 细菌和电极有直接的接触,并利用细胞外膜的可导电性的蛋白质作为电子中介物,将电子传输到电极上. 研究人员发现, Geobacter的一些菌种在利用电极生长的时候, 某些细胞外膜蛋白(outer membrane protein)有很高的表达, 意味着这些蛋白质可能做为电子传输的中介物. 此外, Geobacter 和Shewanella的某些菌种会产生一种可导电的纳米线(nanowire),既可以连接临近的细菌形成生物膜结构, 还可以传导细菌新陈代谢产生的电子. 通过nanowire, 距离电极一定距离的细菌也有可能参与到MFC的电流产生过程中. MET是另一种主要的电子传输过程, 因为可以利用电子中介物质(electron mediator)传输电子, 细菌不需要和电极有直接的接触. 早期的研究主要通过添加人工合成的化学物质来提高电流输出, 间接证明了电子中介物质的作用. 近年来, 研究人员发现Pseudomonas aeruginosa 可以产生自己的电子中介物- pyocyanin. 当相关的基因被删除后, 电流产量下降很多. 阳极可以诱导pyocyanin的产生. 细菌重复利用这种电子中介物至少11次.在阳极生长的微生物中, 也有很多细菌不能进行”电极呼吸”, 但是它们可以通过新陈代谢的产物间接地参与到电流产生的过程中. 这些产物可以和阳极进行非生物性反应, 从而产生电子以及电流. 在对Bacteroides thetaiotaomicron的研究中, 科研人员发现, 当这种细菌在阳极生长的时候, MFC的电流显著增长, 减缓细菌生长的同时也降低了电流产生. 但是, 基因芯片(DNA Chip)的对比分析显示, 无论细菌是否生长在MFC的阳极上, 其基因表达都没有显著差别, 表明这种细菌不能利用阳极作为电子接受物, 因而也不可以进行”电极呼吸”. 其生长与电流产生之间的关系, 可能是由于新陈代谢产物与电极之间的非生物反应形成的.对于研究电子传输机制, 使用单一菌种有很多优势. 但是, 在一个复杂的阳极环境中(含有多种微生物的菌群), 电子传输的机制不是唯一的, 可能是上述几种过程的混合.前言生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。
人工湿地微生物燃料电池
人工湿地微生物燃料电池人工湿地微生物燃料电池___________________________________随着社会的发展，人们对能源的需求也越来越大。
为了满足人们的需求，科学家们推出了一种新型的能源——人工湿地微生物燃料电池。
它是一种利用微生物分解有机物产生电能的能源，它可以从自然界中提取出极大的能量，为人类带来可持续发展的新能源。
人工湿地微生物燃料电池是一种利用微生物燃料来产生电能的新型能源。
它可以将有机物（如石油、天然气、煤炭、植物等）分解成一定浓度的电解质，通过电解质产生的电流来产生电能。
由于微生物的发酵作用，它可以将有机物的有效成分完全分解成水和碳二氧化物，而不会产生任何有害物质，因此也不会造成任何环境污染。
此外，人工湿地微生物燃料电池具有良好的可靠性和可持续性。
微生物燃料电池是一种利用自然界中的有机物进行能量转化的可再生能源。
它不仅可以使用各种有机物作为原料，而且还可以通过微生物的发酵作用，从而有效地将有机物分解成水和二氧化碳，而不会造成任何有害物质的排放。
因此，微生物燃料电池具有较高的可靠性和可持续性。
此外，微生物燃料电池具有较强的发展前景。
它可以将有机物中的有效成分完全分解成水和碳二氧化物，这对减少对化石燃料的依赖具有重要意义。
随着国家对可再生能源的重视，微生物燃料电池将会得到进一步的发展，并成为可持续发展的重要能源。
总之，人工湿地微生物燃料电池是一种具有重要意义的新型能源。
它具有较高的可靠性和可持续性，还能够将有效成分完全分解成水和二氧化碳，不会造成任何有害物质的排放；它还具有较强的发展前景，将会成为可持续发展的重要能源。
希望人工湿地微生物燃料电池在不久的将来能够发挥出它应有的作用，为人类带来更多的便利。
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目前，对深海环境设计的发电装置海底自动 发电机(Benthic Unattended Gen-erators BUGs)、单室反应槽MFC、UMFC等研究已经 取得了重大进展，而原料广泛、操作条件 温和、资源利用率高和无污染等优点使MFC 吸引了能源、环境、航天等各领域的广泛 关注。从理论上看，决定MFC输出功率密度 的主要因素是相关的电子传递过程，近年 来这方面研究的不断突破，有望使MFC 发 展瓶颈得以解决。
• 广泛的应用前景 原料广泛,条件温和而又清洁高效,微生物燃料电 池吸引了能源,交通,环境,航天等各方面的广泛关注。 人们希望研制出可用于宇宙飞船的电池,以宇航员的 生活废物为燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃 料电池如果应用于污水处理,既可分解其中的污染物, 又可产生电力供应自己和周围地区的需要;甚至,在 科幻电影中以天然食物为能源,可以通过"吃饭"来补 充能量的机器人也将成为现实。这是一个梦幻般的 前景,如果实现,我们将可以广泛使用到大量的,高效 的,清洁的能源。
• 1. 对微生物酶的外壳进行修饰,再将其固定到 电极表面从而实现电子的直接传递; 2. 在比微生物细胞更小的尺度上,接使用导 电聚合物固定酶,使导电聚合物深入到酶的活 性中心附近,从而大大缩短电子传递的距离,实 现电子的直接传递; 3. 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子,以及 碳纳米管等物质的修饰,利用纳米粒子的尺寸 效应,表面效应等奇妙的特性来实现直接的,快 速的电子传递。
从污水处理的研究上看，除了微生物群、质 子交换膜、阴极/阳极材料外，MFC的形状 设计对其性能也有重要影响，管状和上流 式的设计取得了较好效果。此外，现有的 MFC污染处理对象已包括含 N、S、Fe 等化 合物及有机化合物；随着更多的微生物群 得到研究，MFC处理污水的能力将扩展至更 大范围。
• 清华大学环境科学与工程系研究主要：“三合一”微生物燃料 电池的产电特性研究 • 中国科学院过程工程研究所研究主要：研究Geobacter metallireducens异化还原铁氧化物。 • 天津大学化学工程研究所研究主要：生物燃料电池技术研究。 • 上海师范大学生命与环境科学院研究主要：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。 • 上海同济大学化学系研究主要：生物燃料电池 微生物燃料电池 酶生物燃料电池 • 北京科技大学土木与环境工程学院研究主要：利用小球藻构建 微生物燃料电池 • 哈尔滨工业大学市政环境工程学院研究主要：废水同生物处理 与生物燃料电池发电研究
当废旧干电池在土壤中腐烂释放出有毒重金属的 时候，当环境污染已成为每个人都不得不面对的 问题的时候，当“矿物能源枯竭”已不再是天方 夜谭的时候，一种清洁高效的能源走进了人们的 视野，它就是微生物燃料电池。
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC） 是一种利用微生物将有机物中的化学能直 接转化成电能的装置。其基本工作原理是： 在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作 用下分解并释放出电子和质子，电子依靠 合适的电子传递介体在生物组分和阳极之 间进行有效传递，并通过外电路传递到阴 极形成电流，而质子通过质子交换膜传递 到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电 子被还原与质子结合成水。
• 目前已发现的能用于发电的微生物有：泥 细菌，希瓦氏菌，红螺菌，嗜水气单胞菌， 还有大肠杆菌，假单细胞菌，枯草杆菌， 变形细菌等。
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。
微生物燃料电池的工作原理图
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微生物燃料电池的优点: 1. 原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种 有机,无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利 用污水等。也就是说,地里的高粱秆,吃剩的香蕉皮,甚至 是洗菜水都可以转变成电能。 2. 操作条件温和。一般是在常温,常压,接近中性的环境 中工作的。这使得电池维护成本低,安全性强 。微生物 的培养通常不需要苛刻的条件,只需要"一箪食,一瓢饮", 而燃料电池也只是加了容器和两个电极罢了。 3. 资源利用率高,无污染。既然微生物可以利用如此多的 有机原料和无机原料,那么就不必担心要像烧火炉一样每 天掏灰,而且不像直接燃烧那么乌烟瘴气,能量利用率也 上了一个台阶。
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MFc有望 可以把废水处理变成一个有利可图的产业，是MFC最有发 展前景的方向。最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家 logan率领的一个研发小组宣布他们研制出一种新型的微生 物燃料电池，可以把未经处理的污水转变成干净用水和电 源[2 J。只要是富含有机物的地方都可以使用这种电池。不 过，微生物燃料电池最好的用途还是处理污水，假如污水处 理厂使用此类设备，那么它们可以一边处理废水一边发电， 从而大大降低污水处理成本。维持废水处理厂的正常运作 是一件花费相当高的事情，无论对发展中国家还是对工业 化国家来说，处理废水同时又能发电的新燃料电池技术都相 当诱人。随着人类进入工业化以来，各种废水的产量也急剧 增加。根据美国国家发展委员会统计，美国每年需要处理 1．25亿m3的生活污水，处理费用大约为250亿美元，而大部 分的成本都花在维持处理厂运转所需的能源上。因此，若微 生物燃料电池能降低成本和提高发电效率，将会为废水处理 节省庞大的开支。另外MFc还可以用来处理畜牧厂的废 水，养猪废水，工业废水㈣。