【科学材料站】微生物燃料电池专题1：微生物燃料电池-结构及其工作原理

目前，由于有限的资源和巨大的能源需求，世界正在经历一场能源危机。因此，另一种发电的方法是必要的。其中一种技术被称为微生物燃料电池(MFC)。为了发电，该技术利用微生物将化学能转化为电能。经过许多研究和合作，我们知道微生物的废物也被利用，包括各种碳源来发电。科学材料站 SCI Materials Hub（www.scimaterials.cn）简要介绍了微生物燃料电池(MFC)的基本原理及其工作原理。

什么是微生物燃料电池?

通过阳极上的微生物催化反应，将有机化合物的化学能或可再生能源转化为电能或生物电能的生物电化学系统称为微生物燃料电池(MFC)。

利用废水处理或工业废料发电是一种有吸引力的替代技术。它利用细菌将有机物直接转化为电能，被认为是一种回收可再生能源的新方法。

MFC技术是通过氧化过程和电化学活性细菌，将有机废物或碳源中的化学能转化为电能。

它利用基质厌氧生物电化学活性细菌氧化过程中产生的电子来发电。它由两个腔室组成，阳极和阴极被一种叫做交换膜的特殊膜隔开。MFC产生的功率密度为1kW/m3。

微生物燃料电池的工作

微生物燃料电池(MFC)技术的工作原理是基于氧化还原反应。细菌氧化有机物产生二氧化碳、电子和质子。微生物的自然代谢被用来发电，底物被细菌转化为电子。双腔MFC如下所示，说明了MFC技术的工作原理。

它由阳极（如科学材料站开发的碳刷）、阴极（如科学材料站开发的气体扩散电极）、交换膜（如Nafion N117）或盐桥组成。其中阳极室为厌氧，阴极室为好氧。交换膜要么是阳离子交换膜，要么是质子交换膜，连接两个腔室，只允许质子扩散。 MFC由阳极室和阴极室组成，它们由质子交换膜(PEM)隔开，如图所示。在阳极，微生物或微生物氧化燃料/底物产生质子、电子和二氧化碳。而质子通过交换膜被移动到阴极室。

利用外部电路产生电能，电子从阳极室转移到阴极室。在阴极，质子和电子被消耗，与氧气(O2)结合，形成水。因此，整个过程的阳极和阴极反应为:

阳极反应

阴极反应

由上式我们可以看出，为了保持发电的电势，氧气是不断消耗的。通过使用空气阴极或通过鼓泡，氧气被提供在阴极室。氧的氧化还原电位比其他任何电子受体都大，因此，它被认为是一个更好的阴极电子接收器。

电极与氧的接触失效、氧在碳电极上的缓慢还原是制约氧气在微生物燃料电池技术中应用的主要缺陷。由于催化剂是稀有金属，价格昂贵，因此阴极室的反应可以通过使用涂有催化剂的电极来改善。

微生物燃料电池的类型

MFC技术有两种类型，即无介质和有介质类型。

无介质微生物燃料电池(MFC)

这种类型的MFC使用生物电化学激活的细菌将电子转移到电极上。它含有电化学活性的氧化还原酶，如细胞色素，存在于外层膜上，有助于转移电子。

生物膜在阳极腔表面形成，并通过电导向阳极提供直接的电子传递，如嗜水气单胞菌和腐败希瓦氏菌。

有介质微生物燃料电池(MFC)

这种类型的MFC是电化学不活跃的。这意味着，如果没有腐殖酸等介质的支持，燃料中的细菌无法转移电子。介体通过捕获电子并将其转移到阳极进行再氧化过程来降低氧化态，该介质是不易获取、有毒的和昂贵的。其他类型的微生物燃料电池有：

微生物电解燃料电池(MEFC)

·土壤基 MFC

·光营养生物膜MFC

·纳米多孔MFC

·沉积物MFC

·无膜 MFC

微生物燃料电池的组成

微生物燃料电池有多种组成部分，主要分为两个腔室，阳极室和阴极室。所述阳极室包含所述阳极，所述阴极室包含所述阴极。本节讨论了微生物燃料电池的几个组成部分。

·阳极室

·阴极室

·交换膜

·底物

·电路

·微生物

·电极和连接电极的铜线

阳极室：它是一种生物相容性和导电组分，与底物在化学上是稳定的。这个腔室中的细菌（这些细菌被储存在氧气含量有限的环境中）将底物转化为H2O(水)、CO2(二氧化碳)和能量。

阴极室：在这个腔室里，质子和电子重新结合，氧气(O2)被还原为水，通常使用铂作为催化剂。

交换膜：它既可以是阳离子交换膜，也可以是质子交换膜，通常采用Ultrex或Nafion。质子可以流过这个膜，而在另一边，电子和质子被重新组合。

电路：电子离开阳极室，通过电路移动以供电。

底物：它们被用来为细菌细胞产生能量。微生物燃料电池的功率密度、库仑效率、性能和经济可行性受到所使用的底物类型的影响。可用于MFC的有机底物是蛋白质、挥发性酸、碳水化合物、废水和纤维素，最常用的底物是醋酸盐。

微生物

MFC技术中使用的微生物是基于细菌的培养。

1).无菌细菌

·减少细菌的金属

·硫还原地理杆菌

·铁还原红育菌

· 拜氏梭菌

·腐败谢瓦纳拉菌

2)混合细菌燃料

·产碱杆菌属

·铜绿假单胞菌

·微肠球菌

·变形杆菌

·脱硫单胞菌

·梭状芽胞杆菌

·拟杆菌

·固氮细菌，如偶氮螺旋菌和偶氮菌

·嗜水气单胞菌属

微生物燃料电池的构建

微生物燃料电池技术是利用有机废物和几种碳源的氧化过程，将化学能转化为电能。构建微生物燃料电池技术所涉及的各个组件是阳极和阴极室、微生物、交换膜、底物、电极和产生电力的电路。

·MFC的阳极和阴极室由玻璃、有机玻璃和聚碳酸酯材料组成。碳纸、碳布、石墨等材料被用作阳极电极。为了保持电极的好氧性质，使用空气阴极，它由催化剂材料或铂材料组成。

·在MFC技术中，大多数微生物种群属于Shewanella和Geobacter种。为了发电，光合细菌被有效利用，混合细菌培养也用于MFC，如天然微生物群落、海洋和湖泊沉积物、生活废水和啤酒厂废水。

·为了产生动力，MFC中使用了诸如醋酸盐、葡萄糖、丙酸盐和丁酸盐等底物。在生物发电中，各种有机底物被使用，它们参与了微生物的厌氧活动。

·为了生产持续的电力，可以有效地利用生活废水，如用于最大功率密度生产-猪废水;用于生物发电和制氢-废污泥;用于生物发电-石油废水。

微生物燃料电池技术的构建取决于其设计。MFC有两种设计，单室MFC和双室MFC。

单室MFC

这种微生物燃料电池设计只包含一个阳极室，它与空气阴极相结合，以转移质子和电子。单室MFC的设计如下图所示，可在连续模式或批处理模式下运行。

双室MFC

这是一种典型的技术，由两个腔室组成，它们由交换膜隔开。它以批处理模式运行，并在连续模式下工作。双腔MFC的设计如下图所示。为了发电，它使用醋酸盐或葡萄糖作为底物。常见的有圆柱形，矩形，向上流动的圆柱形，微型和u形阴极。

优势

微生物燃料电池技术的优点如下。

·这项技术可以利用生物垃圾和有机物质发电

·它可以将底物的能量转换为电能/电

·曝气

·有毒化合物的生物修复

缺点

以下是微生物燃料电池技术的缺点

·产生功率密度低

·成本昂贵

·存在活化损失和欧姆损失

·细菌代谢损失

应用

下面列出了一些微生物燃料电池的应用。

·用于生物发电

·用于生物传感器

·用于沼气

·用于废水处理

·用于各种生物燃料应用，如气体。

·用于海水淡化过程

·用于二次燃料的生产

·用作教育工具

综上，这就是微生物燃料电池技术的概述——定义、类型、工作、结构、优点、缺点和应用。微生物燃料电池技术是一种新型的废水处理发电技术。