微生物燃料电池电极材料的研究进展
作者：***
北京化工大学化学工程学院，北京
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摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。
关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能
微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。
1微生物燃料电池的基本工作原理
微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。
图1MFC工作原理
2微生物燃料电池电极材料
2.1阳极材料
在微生物燃料电池中阳极材料是转移有机燃料分解释放的电子到外电路的枢纽。所以，阳极材料对微生物燃料电池的产电性能有至关重要的作用。理想的微生物燃料电池的阳极材料应该具有尽可能好的吸附电子的能力和导电性能。此外，微生物燃料电池的阳极还作为阳极室产电微生物的依附位置，起着富集具有电化学活性微生物的作用。改变阳极材料的种类和形状都对阳极材料的功能产生影响，以下介绍几种较阳极材料包括发展较为成熟的，也有新近才发展起来的。2.1.1碳材料
碳材料包括天然石墨电极和人造石墨电极，但一般微生物燃料电池中用到的是人造石墨电极。它很早就被应用于微生物燃料电池中当做阳极材料，这得益于碳电极多空的结构和高纯度、耐腐蚀、价格低等优点。由于其多空化，所以比表面积很大，有益于微生物的富集，也适合电子在其中转移。目前主流的炭电极材料是碳棒，碳布等，但是以炭纤维为基体的多空炭电极发展很迅速。例如，石墨刷电极由碳纤维构成，具有耐受腐蚀的金属核心，它的巨大的比表面积和多空结构赋予它高的能量密度，也就是这些特性使它们在微生物燃料电池系统中能按规模放大【1】。我们还可以用纳米碳材料作为微生物燃料电池的阳极材料。纳米碳材料作为传统碳材料的一种发展和衍生，不仅继承了碳材料化学稳定性、导电性、生物相容性较好的普遍优点，同时具有更大的表面积有利于产电菌的附着，为胞外电子直接传递过程提供了更多的接触位点[2]。石墨烯电极也是很好的碳材料电极，它具有比表面积大，导电性优异，机械活性好，电催化活性高等优点。也正是由于石墨烯优异的导电性和大的比表面积以及好的生物相容性，加强了微生物与电极间的电子传递，增大了活性面积，利于生物膜的形成从而显著提高了电池的功率输出【3】。除了石墨烯之外，碳纳米管也是很好的阳极材料，比如说，碳纳米管、活性炭以及柔性石墨作为阳极微生物燃料电池最大产电功率密度分别为402、354和274mW/m2,其中碳纳米管阳极产电功率密度最大。碳纳米管、活性炭以及柔性石墨作为阳极的微生物燃料电池内阻分别为263、301和381Ψ,利用碳纳米管可以降低电池的阳极内阻和欧姆内阻[4]。
2.1.2导电聚合物
导电聚合物可以进行分子结构的设计，还可以进行掺杂和脱掺杂。作为新型的电极材料，导
电聚合物具有质量轻，稳定性好，电阻率在较大范围内可以调节的特点。因此，导电聚合物能成为微生物燃料电池带来性能优良的电极材料。
比较常见的导电聚合物有聚苯胺和聚吡咯。可以通过电化学聚合方法和化学合成方法来合成聚苯胺。通过对聚苯胺和聚(aniline-co-o-aminophenol)(PAOA)被用来修改碳毡阳极和改性阳极的物理和化学性质进行研究，修改后的阳极的输出功率和生物多样性,与未修改的炭电极相比，分别增加了35%和18%【5】。由于聚苯胺的高电导率，掺杂态和掺杂的环境稳定、易于合成、价格低廉等特点，它非常适合做微生物燃料电池阳极材料。与聚苯胺相似，也可对聚吡咯进行掺杂后再进行修饰。还有人用石墨烯和聚吡咯复合材料，借助两组分间的协同作用可以改善单组份石墨烯和聚吡咯的电化学方面的性质，来增强其电化学效应，使得石墨烯/聚吡咯复合材料在生物燃料电池中有出优良特性。
纳米导电聚合物是一种新型电极材料，具有质量轻、稳定性高、电阻率可调等优点。所以当把它运用于微生物燃料电池阳极时，其多空化和优异的导电性能使电池的发电效率得到显著提高。Zhao等[6]对比考察了S.loihica PV-4分别在以ITO电极、聚苯胺薄膜修饰的ITO电极以及聚苯胺纳米纤燃料电池的阳极时，维修饰的ITO电极为阳极MFC中的产电性能，研究结果发现导电聚合物修饰后的ITO电极产生的电流和功率密度高于ITO裸电极，且纳米结构聚苯胺修饰的ITO电极产生的电流和功率密度显著高于聚苯胺薄膜修饰的ITO电极。
2.1.3金属化合物修饰阳极
因为有些金属化合物具有较高的催化活性，可以提高微生物细胞与阳极间的电子转移能力，除此之外，阳极的电流量和产电效率会大大提高。Park等[7]以Shewanella putrefucians为产电微生物、乳酸为燃料，利用自制的Mn4+-石墨阳极(石墨、锰、镍、粘合剂)得到10.2mW/m2的输出功率，而未经修饰的石墨电极的输出功率仅为0.02mW/m2。以活性污泥为产电菌，以乳酸、蛋白胨和酵母提取物为燃料，修饰阳极的输出功率达788mW/m2，未经处理石墨阳极的输出功率为0.65mW/m2。从中可以看出金属化合物修饰的阳极做成的微生物燃料电池比未经处理的石墨做成的电池输出功率高。
2.2阴极材料
在微生物燃料电池中，阳极产生的电子通过外电路到达阴极，阳极室的质子通过质子交换膜到达阴极材料附近，然后质子和电子与氧化剂如氧气，氰化钾等相遇，电子受体得电子被还原。一般来说，氧化还原的速度直接决定了微生物燃料电池产电能力，所以用催化效果好的阴极材料显得至关重要。传统的微生物燃料电池一般采用金属铂催化剂，但是由于它价格昂贵，很多研究都转向了非贵金属氧化物催化剂的研究。因为非贵金属氧化物价格低廉，来源较广，所以它们被广泛应用于燃料电池中。在综合比较电化学催化性特别是还原催化性的高低后，研究着发现锰的氧化物、钛的氧化物等具有优良的催化活性。Wang等【8】采用裂解铁乙二胺四乙酸作为阴极催化剂，这种催化剂是在有氩气的情况下，使混合有铁螯合的乙二胺四乙酸的碳热解得到的，用这种催化剂替换Pt，发现其最大功率能达到1122mW/m2，与Pt/C阴极得到的最大功率（1166 mW/m2）相近，说明这种催化剂也具有很好的催化活性，基本能达到Pt催化剂的效果。除了非贵金属氧化物可以作为微生物燃料电池的阴极，过渡金属大环络合物，如，热解酞菁铁、四甲基苯卟啉钴等具有较好的催化活性，但其稳定性不高、制备过程复杂，实用性不强。当然，我们还要考虑阴极材料的可再生性和环境友好性。下文介绍几种用于微生物燃料电池主流的阴极材料。
2.2.1铂基催化剂
在微生物燃料电池中对铂基催化剂的研究很早就开始了。因为铂基催化剂具有很高的电催化效应，因此在研究者发现新的电极材料时通常会把它的电催化性能与铂基催化剂相比，来判断它催化效果好不好。一些研究者把铂催化剂制成纳米级颗粒，既可以减少电池成本，又可以提高催化剂的比表面积。但是这并没有扭转铂由于它的价格很昂贵造成的缺点，加上电池长期运作后，铂催化剂会失活，更增加了电池的制造成本，所以金属铂催化剂的应用受到了很大的限制。所以
在不影响微生物燃料电池产电性能的情况下，进一步提高贵金属的利用率或研制新型的取代铂及基于铂合金的催化剂具有重要的意义。
2.2.2非金属氧化物催化剂
Morris 用Pbo 2代替铂阴极催化剂，取得了让人满意的结果。电池的最大功率提高了二到四倍，
成本降低了二到十七倍。但是Pbo2的毒性很强，易发生渗透，这一缺点限制了铅的氧化物作为电极的广泛应用。
非金属氧化物Tio 2和Mno 2是很好的催化材料，完全可以替代Pbo2。Tio2熔点低、介电常
数高、无毒、化学性质稳定、氧化还原性强等优点。它已经被广泛应用于除臭、杀菌、污水处理等领域。当我们把二氧化钛引入微生物燃料电池电极材料时，发现它的催化活性很好。可能是由于：①阴极中Tio2受到波长小于387nm 的光照射后，吸收具有足够大能量的光子，随后纳米Tio2价带中的电子被激发到导带，在价带上留下空穴，形成高活性的电子－空穴对；②一部分光生电子－空穴对发生复合，一部分光生电子－空穴对分离，向Tio2光催化剂表面迁移；③分离的光生空穴与水反应产生氧气和氢质子，且低能量价带上的光生空穴具有较强的还原性，易于在释放导带上光生电子的同时接收电子，减少了电子受体数量，增加了电子与最终电子受体氧气结合的可能行，最终提高了电池本身潜在电能产生电量即提高了电池的性能。Lu 等[9]以涂载了Tio2的石墨板为阴极电极，分别比较了可见光照射和黑暗条件下阴极负载Tio2的微生物燃料电池性能，并进一步与铂电极和石墨电极性能进行了对比，其功率密度比石墨阴极MFC 高230%，低于阴极负载铂催化剂MFC 的功率密度。
对于Mno2催化剂，它可能的作用机制为：①阴极电极上负载的Mn4+接收外电路传递过来的电子变成Mn3+，而后Mn3+将电子传递给空气中的O2，ads，促使O2,ads 转变成O2，ads －且自身还原为Mn4+；②O2,ads 与空气中的水和阴极电极上的电子先结合反应生成H2O，随后再进一步反应生成OH-；③ＯＨ－与通过阳离子交换膜传递过来的H+结合生成H2O 从而完成整个反应（如图2所示）。反应具体过程如下：
当它在电池中运作时，它具有较负的阴极电势和较高的平均氧化态以及比表面积，如β型Mno2的阴极电势为-0.16V，平均氧化态和比表面积分别为3.59和139.1m 2
/g（其中平均氧化态是指示Mno 2氧化活性的重要指标），因此其具有较强的阴极催化活性[10]。并且Mno 2是一种廉价
的过渡金属氧化物，所以它在微生物燃料电池中得到了充分的应用。
图2MnO2作为阴极催化剂的作用原理
2.2.3氮化学修饰的阴极
我们可以在电极表面进行分子设计和功能优化，使电极对特定的电化学反应催化活性提高。我们可以用化学吸附法和电化学沉积法进行电极修饰。目前在微生物燃料电池领域主流的化学修饰是氮化学修饰。，成少安等[11]最早对碳布进行氮化学修饰，以5%氨浓度的氦载气在700℃下加热碳布60min，得到的氮-修饰碳布电极作阳极，功率密度从对照组的96W/m3增加到115W/m3，而且电极启动周期也缩短50%，作者归因于氨热处理使得碳布表面带正电，有利于细菌的吸附和胞外电子的传递。
2.2.4过渡金属大环类
过渡金属大环类阴极具有与铂碳阴极相当的性能，且这种阴极大大减少了贵金属在微生物燃料电池中的用量，降低了材料成本，所以它们也是值得研究的电极材料。Zhao等[12]在电化学测试中发现了酞菁亚铁（FePc）和四甲氧基苯基卟啉钴（CoTMPP）两种催化剂，它们在电流密度为0.2mA/cm2时的性能与铂碳阴极相当或更好，但是其输出功率较铂碳低。Birry等[13]研究了乙酸亚铁（FeAc）、四甲氧基苯基卟啉氯化铁（ClFeTMPP）及酞菁亚铁（FePc）这三种铁基阴极负载在炭黑上的氧还原活性，发现在氩气环境中制备的FePc催化剂的氧还原活性和MFC 性能优，在铁负载量为0.01～0.16mg/m2时，其大输出功率为550～590mW/m2，与铂负载量为0.5mg/cm2的铂碳相当，并具有更好的稳定性。
2.2．5导电聚合物及复合物
导电聚合物是由具有共扼π键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。它除了电导率可以在绝缘体半导体金属范围内变化，还可进行掺杂和脱掺杂。就和能用一些导电聚合物做阳极类似，它们具有较好的导电性和生物相容性，所以一些导电聚合物还能做阴极材料。例如，聚苯胺/电气石复合电极材料作为微生物燃料电池的生物阴极材料相比聚苯胺修饰的石墨电极和未被修饰的石墨电极有着更好的电化学性能（功率密度、极化曲线、电压、CV），而且缩短了电池反应器的启动时间，说明电气石适合作为修饰电极的材料。Yuan 等[14]研究了在空气阴极MFC中用聚苯胺/炭黑复合基酞菁铁（PANI/C/FePc）作为氧还原催化剂，发现与碳基酞菁铁（C/FePc）相比PANI/C/FePc的电化学催化活性大大增强了，在MFC测试中的大功率密度为630.5mW/m2，比相同条件下铂碳阴极的大功率密度高10%，同时它的功率/成本也比铂碳高7.5倍。Yuan等[15]将聚吡咯与碳黑复合物（Ppy/C）用于阴极，研究了其作为阴极催化剂的作用。经过循环伏安扫描及线性伏安扫描分析发现，修饰了Ppy/C后，氧
化还原反应电位正移了约260mV，电池的最大功率密度为401.8mW/m2，大于碳黑阴极（90.9mW/m2）和铁阴极（336.6mW/m2）的功率密度，虽低于铂电极的功率密度，但是单位成本的能源输出比铂电极高了15倍。他们还研究了聚苯胺-碳黑-酞菁铁（PANI/C/FePc）对氧气还原反应的催化作用【16】，运行结果显示，PANI/C/FePc阴极催化剂的最大功率输出达到了630.5mW/m2，大于C/FePc（336.6mW/m2）和Pt（575.6mW/m2）阴极的功率输出。
2.2．6碳纳米管
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，具有良好的机械强度、巨大的比表面积、柔韧性、导电性、和化学稳定性，它是一种很好的电极材料。Qiao等[17]将碳纳米管/聚苯胺复合物作为MFC的阳极材料，研究发现用大肠杆菌做生物催化剂时，含20%碳纳米管的复合物具有高的电化学活性，产生的大功率密度远远高于之前报道的用大肠杆菌催化剂的功率密度。，张亚平等[18]在合成MnO的过程中将其负载到CNT上（原位合成法，In-situ MnO/CNTs),并将其应用于MFC 阴极。同时单独将MnO与CNTs机械混合作为对照组（Mixed MnO/CNTs)。实验结果发现，MnO 充分的吸附在CNTs上，形成三维立体结构，以此提高了催化剂与氧气反应的接触面积。并且通过线性伏安法实验发现In-situ MnO2/CNTs的氧化还原效率要高于Mixed MnO2/CNTs。结果表明CNTs提高了MnO2氧气还原效率。Lu Min等[19]制备了一种新的锰-碳纳米管-聚吡咯复合催化剂，负载量为2mg/cm2粘合至碳布表面作为阴极时，得到了213mW/m2的输出功率，略低于经典Pt/C阴极的343mW/m2。为了提高CNT的催化性能，有研究采用氮掺杂碳纳米管（Nitrogen-doped CNT，NCNT），制备NCNT一般以C2H8N2为前驱物。冯雷雨等[20]研究了氮掺杂碳纳米管作阴极催化剂时MFC的性能和稳定性。单室空气阴极MFC，以0.5mg/cm2的NCNT负载于复合阴极上，得到1650mW/m2的最大功率密度，高于Pt/C催化剂MFC的1393mW/m2，在25批次的运行后，前者输出功率仅降低5.7%，表现出比Pt催化剂更高的稳定性。
2.2.7生物阴极电极
非生物型阴极虽然能显著提高MFC的产电性能，但是其成本高、稳定性差、容易造成催化剂污染，研究者们考虑用微生物体内的具有特定功能的酶作为催化剂，取代金属催化剂。生物阴极主要有以下几个优点：①微生物替代金属等其它化学试剂作催化剂可以降低MFC的构建与运行成本；②避免了催化剂中毒等问题，从而提高了电池运行的持续性；③在阴极室生长的微生物也可以处理废水或产生有用物质【21】。Freguia等［22］设计出利用碳基质作为电极材料的MFCs，废水先通过阳极室，随后调节pH并导入阴极室中，结果显示COD去除率高达99%，最大功率密度为110mW/m3。Zhang等［23］以葡萄糖为燃料底物考察了碳纤维刷和柱状活性炭颗粒作为阴极材料MFCs性能，发现碳纤维刷MFC的启动时间比活性炭颗粒MFC的长，原因是电极材料对微生物生长和分布状态存在不同程度的影响;电化学交流阻抗谱测定结果表明碳纤维刷阴极MFCs的极化内阻比活性碳颗粒阴极MFC的大，它们获得的最大功率密度分别为24.17和50. 13W/m3。Clauwaert等[24]将生物阴极用在以乙酸为底物的管状MFC中，并设计了不同型号的反应器，发现反应器规模在0.183L时的性能好，且在间歇式系统的大功率密度高于连续流系统，但是库仑效率低于连续流系统。生物阴极减少了金属和贵金属催化剂的使用，增加了MFC的可用性。
3应用前景展望
在能源日益短缺和环境条件不容乐观的今天，微生物燃料电池有望缓解能源危机和帮助处理环境污染。但是目前微生物燃料电池的应用仅限制于小规模的污水处理，因为MFC的性能与理想状态有还有很大的差距，原因包括动力学因素、内阻因素、传递学因素等导致其燃料氧化速率低和质子传递速率低。但是MFC的应用前景很乐观，主要在污水处理，传感器和替代能源。首先在污水处理方面，微生物燃料电池发展空间很大。我国每年产生生活废水和工业废水达到几百亿吨，若是能用MFC处理富含生物可降解有机物的废水，并且用降解废水得到的电用来生产或生活，这
将会实现减少污染和创造能源的双赢；在传感器方面，由于微生物燃料电池的发展会促进微生物传感器的发展。微生物传感器是由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成，以微生物活体作为分子识别敏感材料固定于电极表面构成的一种生物传感器。由于电池电流对污水浓度的响应速度较快并且具有有较好的重复性，运用MFC的原理来开发新型的微生物传感器将使微生物传感器得到很快发展；在替代能源方面，因为MFC可以直接把葡萄糖中的氢全部消耗并转化为水，所以它比传统的生物质制氢原料利用率高，并且能直接把生物质转化为电能。随着MFC的发展，它的输出功率密度一定会越来越大，MFC生产电能一定会大规模产业化。
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1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1
浅析燃料电池研究进展及应用 摘要: 燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，能将外界提供的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。本文介绍了原电池的工作原理、特点和分类，并详细阐述了原电池的研究进展和应用。 关键词: 燃料电池工作原理应用 随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁、高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。 1. 燃料电池的工作原理 燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应,其工作原理如图1所示。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极（负极）和阴极（正极）通入。燃料气在阳极（负极）上放出电子,电子经外电路传导到阴极（正极）并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气与氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。 图1燃料电池工作原理示意图 2燃料电池的分类 目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。燃料电池有不同的分类方法，本文主要介绍按电解质种类分类中的两种燃料电池。（氢燃料电池和直接甲醇燃料电池) 3燃料电池的优点 燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,被誉为“绿色”发电站。燃料电池的优点: (1)发电效率高。理论上, 它的发电效率可达到85% ～90% ,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40% ～60%。(2)环境污染小。
微生物燃料电池设计3027407
摘要 微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在MFC 总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定MFC 性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进MFC 实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容，可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词：微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能；成本；大型化
Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC.
微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.doczj.com/doc/2612192404.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。
微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理，介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点，并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器，水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。 毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。 2 微生物燃料电池的工作原理
第10卷 第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10 No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝 王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要: 简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了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.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景. 关键词: 生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号: T M911.45 文献标识码: A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示: 阳极反应 C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 阴极反应 6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.doczj.com/doc/2612192404.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001
应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人
微生物燃料电池简介 摘要：微生物燃料电池是一种新型的能源装置，具有污废弃物处理与同步产电的优点，应用范围广，具有巨大的潜在应用价值，本文对其做了一个简要的介绍。 关键词：微生物燃料电池污水处理产电 前言：微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置，兼具处理废水与产电的功能，从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1]；但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池，这种电池可为宇宙飞船提供电能，但其发电效率较低；到2004年，废水首次被用作MFC的燃料来发电，并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中，MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中，MFC的规模在逐步扩大。目前，实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升，产电功率已达到2.8kW m-3。近年来，对MFC 的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。 一、MFC的工作原理 一个典型的MFC 共由四部分组成：阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂，以阳极液中的有机物质作为燃料，利用微生物降解生物质，从而产生电子，产生的电子到达阳极，由阳极转移到外电路，最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子，产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程，产生电能。当外电路接入负载时，MFC 产生的电能足够多时，MFC 便能够支持负载工作。 二、MFC的分类 根据分类标准的不同，MFC的分类方法有所不同。 （一）根据不同类型的微生物，MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。 （二）依据电池中电子不同的传输方式，MFC可分为介体MFC和无介体MFC。 （三）根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。 （四）根据反应器外观上的不同可分为：双极室MFC和单室MFC。
山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期） 学院（中心、所）： 专业名称： 课程名称：高等环境微生物 论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）： 研究生姓名： 年级： 学号： 成绩： 评阅日期： 山西大学研究生学院 2014年月日
微生物燃料电池的研究进展 学生：指导老师： 摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其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。 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]： 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。
应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商
2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.doczj.com/doc/2612192404.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。
非铂、低铂燃料电池催化剂的研究进展低温燃料电池是直接以化学反应方式将燃料的化学能转换为电能的能量转换装置，是一种绿色的能源技术，对解决目前我们所面临的能源危机和环境污染问题具有重要意义，美国《时代周刊》将燃料电池列为 21 世纪的高科技之首；在我国的科技发展规划中，燃料电池技术也被列为重要的发展方向之一。 催化剂是燃料电池中关键材料之一，催化剂的成本占到燃料电池成本的1/3。铂被证明是用于低温燃料电池的最佳催化剂活性组分，但使用铂做为燃料电池催化剂也存在如下严重问题：（1）铂资源匮乏；（2）价格昂贵；（3）抗毒能力差。目前通过合金来改善催化剂的研究有碳负载的铂钌合金催化剂PtRu/C，以及添加有其他促进成分的 Pt/C 和 PtRu/C 催化剂等。为了有效降低燃料电池的成本，主要采用集中两个方面研究来降低铂载量：（1）开发非铂电催化剂；（2）开发研制低铂电催化剂。本文就此对近年来的研究现状进行综述。 1 非铂催化剂 非铂催化剂在酸性直接醇类燃料电池中的研究非铂催化剂的研究，主要采用钯基或钌基掺杂其他金属制备催化剂，近年来，研究人员用了多种方法制备了各种活性组分高度分散的钯基催化剂，在催化燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）中显示了可与铂基催化剂相媲美的效果。同时，作为直接甲酸燃料电池（DFAFC）和直接乙醇燃料电池（DAFC）的阳极催化剂，也显示了诱人的应用前景。以下从影响催化剂性能的几个因素对近年来的相关工作进行讨论。
催化剂的组成直接影响其性能。Colmenares 等合成用 Se修饰的 Ru/C 催化剂 (RuSey/C) 应用于直接甲醇燃料电池（DMFC）阴极催化，结果表明在～ V 电压下，Se 的加入促进了氧还原并减少了生成 H2O2的趋势；少量甲醇的存在对于 RuSey/C 催化氧还原影响较小，说明这类催化剂具有较好的抗甲醇性能。Jose' 等合成了两种非铂催化剂 Pd-Co-Au/C 和Pd-Ti/C，在质子交换膜燃料电池氧还原中的活性与现在常用的 Pt 催化剂活性相当。Shao 等制备了 Pd-Fe/C 系列催化剂用于氧还原反应，结果表明 Pd3Fe/C 氧还原活性比商业催化剂Pt/C (ETEK)好。Wang 等采用有机溶胶法合成了PdFeIr/C 催化剂，研究表明 Fe 和 Ir 的添加，大大增加了催化剂的分散性，从而提高了催化剂的活性，该催化剂表现出较高的氧还原能力和较好的耐甲醇性能。Mayanna 等合成了不同组成的 Ni-Pd合金膜催化剂，并研究了在硫酸环境中的甲醇电氧化性能，发现与纯 Ni 相比其阳极峰电流明显增大，合金化以后其表面积增加了近 300 倍。 制备方法与合成条件对催化剂性能的影响显着。Shen 等利用微波交替加热法制备了 Pd/MWCNT 电催化剂，发现在碱性溶液中显示了良好的甲醇催化氧化性能，与 Pt/C 相比，氧化电位负移了 100 mV 左右。同时他们还研究了多种氧化物对Pd/C 催化氧化多种醇类（甲醇、乙醇、乙二醇等）的促进作用，发现在碱性溶液中 Pd-NiO/C 对乙醇的氧化与 Pt/C 相比负移了300 mV 左右。他们用类似方法合成了 AuPd-WC/C 复合催化剂，并研究了在碱性条件下对乙醇氧化的电催化行为。发现与相同催化剂载量的 Pt/C 催化剂相比，乙醇氧化的起始电位负移了 100 mV 左右，峰电流密度增加了 3 倍左右，而且还显示了良好的稳定性。徐常威等用水热法分解蔗糖制备出表层
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]。
科 技 天 地 66 INTELLIGENCE ??????? ?????????????????沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展 辽宁广播电视大学丹东分校 冯 雁 摘 要：近年来微生物燃料电池技术在国外接连取得突破性研究成果，并迅速成为新概念废水处理的热点。介绍了微生物燃料电池技术的原理和特点，系统综述了该项技术的研究进展，重点总结了在微生物、介体与电极材料研究等方面的最新研究进展，分析了存在的问题，在此基础上指出微生物燃料电池技术研究的重点突破方向。 关键词：微生物 燃料电池 废水处理 当今世界，减少污染物排放量和对化石类燃料的依赖是可持续发展力求达到的两个目标。微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）技术为在污水处理领域实现这两大目标提供了可能。微生物燃料电池（MFCs）是一种特殊的燃料电池，它以微生物作为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能。研究表明，MFCs 不仅可以利用乙酸盐等物质作为燃料持续稳定地产生电流，也可利用各种有机污染物为燃料。当阳极室利用厌氧污泥接种，采用有机污染物为燃料时，电池就能在发电的同时降解污染物，达到经济和环境的双赢，这为有机废水的资源化提供了新思路，具有重大的实际意义。 MFCs 是一种通过微生物的新陈代谢活动能使化学能转化为电能的生物电化学系统（BESs）。由于它们独特的特点和在污水处理方面的应用，BESs 的应用领域正在不断地增大。 一、微生物燃料电池的发展及其分类 1911年，英国植物学家Potter 用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。之后40多年，占主导地位的是间接微生物电池，即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质通入燃料电池发电。 从20世纪60年代后期到70年代，直接生物燃料电池逐渐成为研究的中心。进入80年代后，对于生物燃料电池的研究活跃起来。90年代初，我国也开始了该领域的研究。MFCs 按照使用催化剂形式的不同，可以分为微生物燃料电池和酶燃料电池。前者利用整体微生物中的酶，而后者对酶直接利用。根据电子转移方式的不同还可分类为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池。直接生物燃料电池的燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应；而在间接生物燃料电池中，燃料并不在电极上反应，而是在电解液中或其它地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。另外，也有人用生物化学方法生产燃料（如发酵法生产氢、乙醇等），再用此燃料供应给普通的燃料电池。这种系统有时也被称为间接生物燃料电池。 二、介体的改进 在MFCs 中，电子由微生物内部转移到阳电极需要经过微生物细胞膜，细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以直接穿过，需要氧化还原载体作为电子介体传递。因此电子介体的数量和性质成为限制MFCs 是产电效率的一个重要 因素。 理想的介体应具有下列特性：1、能够被生物催化剂快速还原，并在电极上被快速氧化；2、在催化剂和电极间能快速扩散；3、氧化还原电势一方面要足以与生物催化剂相偶合，一方面又要尽量低以保证电池两极间的电压最大；4、在水溶液系统中有一定的可溶性和稳定性。典型的电子介体包括中性红、劳氏紫、硫瑾类、吩嗪类等。一些研究者认为适宜条件下，微生物体系本身可以产生电子介体，如Daniel 等发现发酵酸杆菌产电中电子转移节制的证据。Rabaey 等研究发现向MFCs 阳极转移电子能够通过绿脓菌素和吩嗪－1－羧基酰胺实现。 由于常用介体价格昂贵，并可能对环境产生毒害。近年开展了大量对无介体MFCs 的研究。无介体MFCs 中的嗜阳极微生物可分为两种：一种是吸附在阳极上，通过细胞膜进行电子传递的微生物，如S。putrefaciens。这类细菌的细胞外膜上存在具有良好氧化还原性能的细胞色素，可帮助电子传递。另一种是可以分泌溶解性物质并利用它作为电子介体，如Pseudomonas aeruginosa。最近的研究表明，这些由微生物分泌的电子介体参与细胞外电子传递，并可以极大提高MFCs 的性能。 三、结语及展望 沉积物微生物燃料电池自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，但是相关的研究还处于基础阶段。因此还需要在以下几个方面进行深入研究，推动其工程化的应用： 1、导电性能优良的立体化微生物燃料电池阳极研究。开发新型的立体化电极，并采用化学修饰来增强阳极生物亲和性和导电性，提高固定有效产电微生物的量和微生物向电极传导电子的能力。 2、高效廉价的微生物燃料电池生物阴极研究。通过选择导电性能优良的材料，通过一定的方式使其表面产生生物膜来提高氧还原速率。 3、加强淡水沉积物微生物燃料电池的研究。近年来淡水资源的污染已严重影响到人们的生活，而MFCs 所展现的优点可以应用于其污染治理。并可通过深入研究生态工程和沉积物微生物燃料电池的协同作用来提高其修复速率。 4、应用物理和生物方式，加快沉积物中有机物向阳极的传递，以提升MFCs 工艺运行效果。