电子介体微生物传感器 微生物燃料电池的电流(电压)或电子库仑

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2020年10月06日

  ————利用微生物催化作用将有机物 中的化学能直接转化成电能的装置 14生物科学2班 马宇昂 张智勇 周煜博 catalogue ? 基本原理( Rationale) ? 微生物燃料电池独特优势 ? 物质解析与介体分类 ? 构造体系 ? 直接微生物燃料电池的实例 ? 直接微生物燃料电池发展方向 ? 试研究与应用 ? 结语 ? 在阳极室(负极)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(正极), 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。 大多数微生物燃料电池只 在阳极使用微生物催化剂, 因此微生物燃料电池的研 究工作也多是针对电池阳 极区。 阳极 阳极 阴极 阴极 基本原理 其他燃料电池不具备的若干特点 ? 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。 ? 操作条件温和 一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作。这使得电 池维护成本低、安全性强。 ? 生物相容性 利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植 入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。 物质解析 ? 电子传递方式 ? 直接的微生物燃料电池 指燃料在电极上氧化的同时,电子直接从燃料分子转移 到电极,再由生物催化剂直接催化电极表面的反应; ? 间接的微生物燃料电池 间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化,燃料是在电解液中 或其它处所反应,电子通过某种途径转移(氧化还原介体传递)到 电极上。 直接微生物燃料电池工作原理 间接生物燃料电池工作原理 电子传递中间体分类 ? 由于大部分微生物不具有电化学活性,电子无法直接从微 生物到达电极,所以很多微生物燃料电池都需要电子传递 中间体的参与,即构成间接微生物燃料电池。 电 子 传 递 中 间 体 介 体 ) 1、人工合成的介体, 主要是一些染料类的物质硫堇、AQDS和中性红等; ( 2、某些微生物自身可以合成介体。 间接微生物燃料电池局限性 ? 电子传递的距离大,电子传递通道效率低电子传 ? 递中间体有毒且易分解, 使用介体的间接型电池占主导地位。 ? 近年来,国外陆续发现几种特殊的细菌,可在无 电子传递中间体存在的条件下,将电子直接传递 给电极产生电,构成直接微生物燃料电池。 ? 解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本 问题,同时也保证了功率密度的高效输出 直接(无介体)微生物燃料电池 未解决的问题 ? 微生物与电极间的电能输出原理 1胞外电子传递机制 吸附在电极上的细菌 悬浮在溶液中的细菌 直接微生物燃料电池(两室)构造体系 ? 微生物燃料电池由有机玻璃材料制成,阴阳两极室体积为 120 m L,极 室的尺寸为 63 mm×63 mm×30 mm. 电池由 4 块有机玻璃板通过螺栓 穿接固定而成。 双室微生物燃料 电池装置示意图 Schematic diagram of the dual-chamber MFCs 图片 直接微生物燃料电池结构示意图 Fig. Direct microbial fuel cell assembly 直接微生物燃料电池的实例 ? 腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens) ? 一种还原铁细菌,在提供乳酸盐或氢之后,无需氧化还原介质就 能产生电。 ? 实验研究:以腐败希瓦菌等为催化剂,乳酸盐为燃料组 装微生物燃料电池。研究发现不用氧化还原介体,直接 加入燃料后,几个电池的电势都有明显提高。 机理:位于细胞外膜的细胞色素具有良好的氧化还原 性能。可在电子传递的过程中起到介体的作用,且它本 身就是细胞膜的一部分,不存在氧化还原介质对细胞膜 的渗透问题,从而可以设计出无介体的高性能微生物燃 料电池。 其他的一些直接微生物燃料电池 ? Rhodoferax ferrireducens 燃料电池——将糖类 代谢能转化为电能 ? Geobacteraceae sulferreducens燃料电池 直接微生物燃料电池发展方向 ? (1)目前大多数直接微生物燃料电池由单一菌种构建。 要达到普遍应用的目的,急需发现能够使用广泛 有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将 继续致力于发现和选择这种高活性微生物。以发酵废 水(如淀粉厂出水)为燃料建立微生物燃料电池,试 分离所需菌种。 发展方向 ? (2)在电池的构造方面:现有微生物燃料电池一般 有阴阳两个极室,中间由质子交换膜隔开。这种结 构不利于电池的放大。 单室设计的微生物燃料电池将质子交换膜缠绕于阴极 棒上,置于阳极室,这种结构有利于电池的放大,已用于 大规模处理污水 发展方向 ? (3)电能的输出很大程度上受到阴极反应的影响。 低电量输出往往由于 1阴极微弱的氧气还原反应 2氧气通过质子交换膜扩散至阳极。 氧气扩散到阳极会严重影响兼性厌氧菌,减小电量,因为这 类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子受 体。 阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。 发展方向 ? (4)质子交换膜问题 质子交换膜对于维持微生物燃料电池电极两端pH值的 平衡、电极反应的正常进行都起到重要的作用。 通常情况,质子交换膜微弱的质子传递能力改变了阴 阳极的pH值,从而减弱了微生物活性和电子传递能力,并 且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应。 质子交换膜的好坏和性质的革新直接关系到微生物燃 料电池的工作效率、产电能力等。 ? 目前所用的质子交换膜成本过高,不利于实现工业化。有 人用盐桥代替质子交换膜进行试验,但效果不佳。所以今 后将设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的生 物电池。 发展方向 ? (5)阳极电极材料的改进以及表面积的提高 ①阳极直接参与微生物催化的燃料氧化反应 ②而且吸附在电极上的那部分微生物对产电量起主要 作用有利于更多的微生物吸附到电极上。例:通过把电极材料换 成多孔性的物质,如石墨毡、泡沫状物质、活性炭等,或者在阳极 上加入聚阴离子或铁、锰元素,都能使电池更高效地进行工作。 ? 21 世纪初,微生物燃料电池的研究重点是功率输出的提高,经 过十年左右的研究工作,其功率密度输出提高了 100 多倍。近 年来,研究重心更偏向于微生物燃料电池的应用化研究。 试研究与应用 ? MFC 的放大——工业应用的一个必经之路 微生物、材料、技术以及经济等方面,给 MFC 实际应用 带来了诸多困难。 ? 主要因素包括: ①电池功率密度较低,离实际应用相差较远:目前质子交换膜燃料电池的功率密 度可达3W/cm2,而生物燃料电池的功率密度还达 不到1mW/cm2,可见两者差距之大; ②电极材料,特别是铂价格昂贵; ③微生物燃料电池长期运行容易造成电极和膜的污染 ,运行成本高和操作难度大。 电池的功率会随着单电池体积的增大而增大,电 池的功率密度却是随着体积的增大而减小。这种 规律决定了微生物燃料电池的放大应该是将多个 相同的单电池有机地组合起来。 ? 在中试研究方面,昆士兰大学 Keller、Rabaey与福斯特 (Foster)啤酒厂合作,建成了世界上第一个中试规模的 MFC(图 6),该 MFC 为单室,由 12个模块构成,每个高 3m,总容积大约 1m3,其中阳极采用碳纤维刷,阴极采用 石墨纤维刷,阳极置于装置的内部,阴极包裹于装置的外 部,利用啤酒废水发电,可承受的有机负荷为 10g COD/ (L?d)。 在国内,中国海洋大学的付玉彬等 构建了海洋沉积物微生物燃料电池,利 用串并联升压的方式,在胶州湾浅海成 功驱动小型电子装置的运行。 应用——废水处理 ? 试应用方面,利用微生物燃料电池处理废水可以实 现废水到电能的一步转化,在处理废水的同时使废 水资源化。 ? 废水中有机物是否可生化降解是 MFC 处理废水的 关键,因为其直接影响着能量的转换。 应用——微生物电合成 ? 使阳极释放的能量能够以化学品的形式在阴极储存。目前, 在微生物电合成方面,所产物质主要包括H2、H2O2以及低 分子有机物。 微生物传感器 微生物燃料电池的电流(电压)或电子库仑量与电子供 体的含量之间存在对应关系,因此微生物燃料电池能用 于某些底物含量的测定,其中用于废水中 BOD (生化需 氧量)测定的研究最为成熟,对 MFC 应用领域的扩大具 有重要意义。 最后の话 微 生物燃料电池的研究仍处于起步阶段,如何充分 将其诸多优势为人类所用,提高微生物转化效率 和输出功率密度,满足轻便、高效、长寿命的需 要,仍需不断地努力,继续研究。 尽管生物燃料电池经数十年研究仍距实用遥 远,燃料电池研究从上世纪90年代初又成为 热门领域,现在仍在升温阶段。几种燃料电 池已经处在商业化的前夕。另外,近20年来 生物技术的巨大发展,为生物燃料电池研究 提供了巨大的物质、知识和技术储备。 所以,生物燃料电池有望在不远的将来取得重要进展。

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