微生物燃料电池-(1).ppt

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1、微生物燃料电池MicrobialFuelCell解决当前日趋严重的环境污染问题和探寻新的产能方式是关系人类社会可持续发展的两大根本性问题。微生物燃料电池微生物燃料电池(MicrobialFuelCell,简称MFC)是以微生物为主体，在阳极将有机物燃料氧化，并将电子捕获，通过电极将其传递至阴极，进而产生电流，最终实现化学能直接转化为电能的装置。具有产电与废弃物处置的双重功效。微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向之一，其研究受到了学术界的极大关注，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。发展历史1.早在1910年，英国植物学家马

2、克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂做电极，把它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；2.1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过它的放电率极低；3.1991年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到的电池功率才有所增强；4.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。MFC的性能特点与常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，因而具有更多优点

3、：燃料来源广泛，尤其可利用有机废水等废弃物；反应条件温和，常温常压下即可运行；环境友好，所产生的物质主要是CO2和H2O，无酸、碱、重金属等污染物产生，无需对其产物做任何后处理；因能量转化过程无燃烧步骤，故理论转化效率较高。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，与电子受体（氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：MFC的基本工作原理：PEM负载阳极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物微生物图1.微生物燃料

4、电池工作原理Fig.1Theworkingprincipleofamicrobialfuelcell4e-＋O2＋4H+2H2O(CH2O)n＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+阳极反应：阴极反应图2.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阳极产生电子的机理阳极材料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阳极是微生物附着的主要场所，其量的多少直接关系到产电能力的大小，

5、其必要条件是具有高导电率、高比表面积、高孔隙率、廉价易造且可回收等。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。目前对阳极的研究主要是对导电材料的改性加入其他的催化剂碳纸，碳布，泡沫痰及玻璃电极。石墨棒，石墨板1.对材料的改性Zeikus等[1]报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度,然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作为阳极。结果表明，这些改性阳极产生的电流功率是平板石墨的115～212倍。Zhang等[2]报道了在石墨中加入聚四氟乙烯(PTFE)作为MFC的阳极,研究表明,P

6、TFE的含量影响了MFC的电流产生,质量分数为30%的PTFE可以获得的最大功率为760mW/m2。Cheng等将用氨气预处理过的碳布作为MFC的阳极,结果表明,预处理过的碳布产生的功率为1640mW/m2,要大于未预处理过的功率,并且MFC的启动时间缩短了50%。2.加入其他催化剂Qiao等报道了用碳纳米管/聚苯胺(CNT/PANI)作为MFC阳极。Kargi等用铜和铜-金导线来代替石墨电极作为MFC的阳极,结果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。Rosenbaum等研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得了不错的效果,其

7、电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。阳极除了材料之外，还需要关注的重点就是阳极附着的微生物。目前已知的产电微生物主要包括希瓦氏菌（Shewanella）、地杆菌（Geobactor）以及假单胞菌、泥细菌等。但是在应用范围内，很少使用纯菌，而多数使用的为混合菌群。相较与纯菌，混合菌具有阻抗环境冲击能力强、利用基质范围广、降解底物速率和能量输出效率高的优点。阳极附着微生物离子交换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。在试验中大多选用的是质子交换膜（PEM）

8、。阴极材料阴极的设计是MFC使用和升级的一个最大挑战。前面提到的阳极材料同样可以适用于阴极，不过阴极材料在使用时需要添加催