什么是微生物燃料电池?

微生物燃料电池(MFC)是一种生物电化学装置，利用厌氧微生物将有机基质直接转化为电能。MFC的核心是一个燃料电池，它通过氧化还原反应将化学能转化为电能。当然，关键的区别在于名称，微生物燃料电池依赖于活的微生物催化剂来促进电子在整个系统中的运动，而不是传统的化学催化燃料在阳极氧化和在阴极还原。科学材料站 SCI Materials Hub（www.scimaterials.cn）在这里对微生物燃料电池(MFC)作简要介绍。

MFC的历史

MFC背后的魔力可以归结为:细胞呼吸作用。数十亿年来，大自然一直在吸收有机基质并将其转化为能量。细胞呼吸是一种代谢反应的集合，细胞将营养物质转化为三磷酸腺苷(ATP)，从而促进细胞活动。整个反应可以被认为是放热氧化还原反应，正是考虑到这一点，20世纪初杜伦大学的植物学教授M. C. Potter在1911年首次提出了利用微生物发电的想法。

虽然Potter成功地利用大肠杆菌发电，但他的工作在之后的20年里都没有人注意到，直到E. coli在1931年发明了第一个微生物半燃料电池。通过串联半电池，他能够产生2 mA的微弱电流。到1999年，韩国的研究人员发现了MFC的里程碑。B.H. Kim等人开发了无介质MFC，通过消除电子传递所需的昂贵介质化学物质，极大地提高了MFC的商业可行性。微生物燃料电池自20世纪初以来已经取得了长足的发展。

微生物燃料电池是如何工作的?

微生物燃料电池的工作原理是让细菌发挥它们的优势，氧化和还原有机分子。细菌呼吸基本上是一个大型的氧化还原反应，只要有移动的电子，就有可能利用电动势做有用的功。MFC由阳极和阴极组成，由阳离子特异性膜隔开。阳极上的微生物氧化有机燃料，产生质子，质子通过膜到达阴极，电子通过阳极到外部电路产生电流。最关键的当然是收集细菌呼吸时释放的电子，这导致了两种类型的MFC:有介质和无介质。

有介质MFC

在1999年之前，大多数MFC需要一种介质化学物质来将电子从细菌细胞转移到电极上。中性红、腐殖酸、硫氨酸、甲基蓝和甲基紫精等介质价格昂贵，而且通常是有毒的，这使得该技术难以商业化。

无介质 MFC

B.H. Kim等人在1999年进行的研究导致了一种新型MFC的无介质MFC的发展。与当时大多数MFC细菌不同，铁(III)还原剂腐败希瓦氏菌具有电化学活性。这种细菌有能力在一定条件下通过阳极作为电子受体直接呼吸到电极，这是其正常代谢过程的一部分。能在细胞外传递电子的细菌被称为外产电菌。

外产电菌-活的微生物催化剂

在当今的能源工业中，最有前途的商业化MFC是无介质MFC，它使用一种特殊类型的微生物，称为外产电菌。外产电菌是具有电化学活性的细菌。好氧细菌使用氧气作为最终的电子受体，厌氧菌使用其他可溶性化合物作为最终的电子受体，而外产电菌是一类特殊的细菌，可以使用强氧化剂或固体导体作为最终的电子受体。

MFC阳极

当细菌在有氧条件下消耗糖等有机底物时，细胞呼吸的产物是二氧化碳和水。然而，当置于无氧环境中时，细胞呼吸作用反而会产生二氧化碳、质子和电子。因此，有必要在MFC的阳极室中赋予一个厌氧环境。

在基于介质的MFC中，无机介质在细菌电子传递链中取代了氧。介质穿过细菌外膜，接受通常会被氧或其他可溶性物质接受的电子。一旦介质被“还原”，它就会充满电子离开电池，并将电子转移到阳极。

在无介质MFC中，外产电菌粘附在阳极表面，并通过氧化还原酶途径将电子通过一种特殊的蛋白质直接转移到阳极表面。电子传递机制可能涉及导电菌毛，通过导电生物膜直接接触，和/或通过排泄介质酶穿梭。

经典的可以被用作MFC阳极的有科学材料站 SCI Materials Hub（www.scimaterials.cn）的碳刷、碳毡等材料。

MFC阴极

是电池带正电荷的一半，阴极室由一个电极组成，该电极经受由溶液中的氧化剂组成的阴极电解液流。当氧化剂通过源自阴极的导线接收进入阴极的电子时，氧化剂被还原。经典的可以被用作MFC阳极的有科学材料站 SCI Materials Hub（www.scimaterials.cn）的铂碳气体扩散电极。

发电

您已经了解了MFC的不同组件是如何工作的，现在是时候将它们组合在一起了。为了让燃料电池工作，你需要有一种完成电路的方法。在MFC的情况下，你有一个阴极和一个阳极由一个质子交换膜分开，并与外部电线连接在一起。当有机“燃料”进入阳极室时，细菌开始氧化和还原有机物质，以产生维持生命的ATP，为它们的细胞机制提供燃料。质子、电子和二氧化碳作为副产品产生，阳极在细菌的电子传递链中充当电子受体。

新产生的电子利用导线作为导电桥从阳极传递到阴极。与此同时，质子通过质子交换膜自由地进入阴极腔。最后，阴极上的氧化剂或氧气与氢和阴极上的电子重新结合，产生纯水，完成整个电路。把电线换成灯泡或其他需要电力的设备，你就有效地利用了微生物的力量来解决你的能源需求。

MFC和废水处理

现在您已经了解了MFC的工作原理，让我们来看看它们在能源行业中所扮演的角色。MFC最直接可预见的应用是废水处理。微生物喜欢污水，废水处理厂的条件对于可以在MFC中使用的细菌类型是理想的。外产电菌非常乐意分解和代谢废水流中富含碳的污水，产生电子，这些电子可以流入廉价的导电碳布阳极。MFC产生的电力也抵消了工厂运营的能源成本，作为一个额外的好处，细菌会吃掉大量通常存在于废水中的污泥。以色列的Emefcy公司声称，他们能够在废水处理过程中减少80%的污泥，这节省了他们将污泥运送到垃圾填埋场或荒地的时间和金钱。

MFC和甲烷生产

一家公司将MFC与废水的结合更进一步，从废水中生产有用的碳氢化合物。Cambrian创新公司的旗舰产品EcoVolt使用MFC和第二组电极，将富含碳的废水流转化为接近管道质量的甲烷气体。首先，EcoVolt从废水中过滤出较大的颗粒和固体，然后废水被转移到一个大型的平衡罐，以平衡浓度和密度的波动，然后经过处理并通过Cambrian公司的专利EcoVolt单元。在该装置内部，一个涂有一种细菌的阳极进行标准的氧化反应，将污水转化为净水，同时产生电能。电子到达阴极，在阴极上涂有不同类型细菌的电极将电、氢和二氧化碳转化为纯甲烷燃料，这一过程被称为甲烷电生成。甲烷可以被输送回工厂，提供清洁的热量和能源。

MFC生物传感器

MFC不仅可以用于发电，还可以作为废水的便捷生物传感器。废水是根据需氧细菌分解水体中有机污染物所需的溶解氧量来评估的，这个值称为生化需氧量(BOD)，与溶液中有机溶质的含量有关。废水流越丰富，MFC提供的电流就越大，设计控制工程师可以利用这种直接关系来测量废水流中的实时BOD值。作为一个额外的好处，MFC生物传感器利用废水为自己供电。

MFC在太空

海军研究实验室(NRL)对如何在太空中为远程操作的飞行器提供动力有一个非常不同的想法，他们已经开始研究一个由硫还原地质杆菌(Geobacter sulreducens)细菌提供动力的原型探测器，这是一种具有分解金属能力的外产电菌。与锂离子电源相比，选择这种细菌是因为它具有高能量密度，以及它所支持的MFC的整体弹性、坚固性和寿命。美国自然研究实验室的Gregory P. Scott博士计划使用混合MFC/电池系统为一个一公斤重的小型跳跃探测车提供动力。MFC只能为探测器的电子设备、传感器和控制系统等低负载设备供电。电池或电容器将用于更高的功率负载，如移动或操作更耗电的科学仪器。由于火星车花费大量时间静止分析样本，MFC可用于为电池或超级电容器充电，以应对下一个大负荷。

教孩子科学知识

事实证明，微生物燃料电池对微生物学、土壤化学和电气工程领域有很好的介绍。在网上和玩具店可以买到许多基于土壤的MFC工具包。它们通常配有科学展览项目所需的所有东西，两个石墨纤维毡电极，一个密封反应堆容器，一个数字时钟或用于电池供电的led灯。大多数制造商要求你提供自己的土壤，使它成为一个伟大的活动，让孩子们在户外挖掘后院。

通常情况下，其中一个石墨电极被放置在覆盖表土或泥浆的容器底部，这作为阳极，将捕获在细菌呼吸过程中产生的电子。另一块石墨纤维毡放在土壤上，暴露在氧气中，它作为阴极，反应的还原部分在这里发生。土壤中自然存在的微生物完全有能力为一个小型LED或数字时钟供电，通常只需要一周的时间MFC就能达到稳定状态并开始为设备供电。

MFC研究的未来

人类只接触了MFC能力的表面。随着我们对微生物代谢、基因组学和基因修饰的理解加深，更好的外电原被产生，新的应用被发现。目前，MFC的大小受到电子传输仅发生在与电极直接接触的细菌层的限制。因此，虽然MFC在废水的大规模批量处理中取得了成功，但它们的真正潜力在于表面体积比高的小规模设备。存在一种提高MFC电压输出的最佳反应物流量。微流体技术的进步将使工程师能够制造出越来越小的MFC设备，从而利用这种高表面体积比的优势。对先进微流体、菌株、更坚固的分隔膜和高效电极的研究是释放MFC潜力的关键。