酶型生物燃料电池的研究进展

生物能源的利用生物质能与生物燃料电池生物能源的利用：生物质能与生物燃料电池生物能源是指从生物质中提取的可再生能源。

生物质能和生物燃料电池是目前应用最广泛的两种利用生物能源的技术。

本文将详细介绍生物质能和生物燃料电池的原理、应用和未来发展趋势。

一、生物质能生物质能是指从有机物质中获取能量的一种方式。

生物质主要包括植物秸秆、农作物残体、林木木材等可再生能源。

生物质能的利用主要有两种形式：热能利用和生物质发电。

1. 热能利用热能利用是指利用生物质进行燃烧、气化或发酵等方式释放能量，并将其转化为热能。

这种方式广泛应用于居民取暖、工业生产等领域。

通过合理的燃烧技术，可以将生物质转化为高效热能，减少对传统化石能源的需求，降低温室气体排放。

2. 生物质发电生物质发电是指利用生物质作为燃料，通过燃烧或气化等方式产生热能，再通过发电机将其转化为电能。

该技术既可以提供电力供应，又可以减少排放量，是一种可持续发展的能源利用方式。

生物质发电的关键在于提高发电效率和减少排放产物。

二、生物燃料电池生物燃料电池是一种将生物质能直接转化为电能的装置。

生物燃料电池利用生物质能源中的化学能，通过分解和催化氧化反应，将化学能转化为电能。

生物燃料电池主要分为微生物燃料电池和酶催化燃料电池两种类型。

1. 微生物燃料电池微生物燃料电池利用微生物代谢产生的电子来驱动电流，将化学能转化为电能。

主要的微生物燃料电池有酵母燃料电池、细菌燃料电池等。

微生物燃料电池具有较低的能量转化效率，但其废弃物处理和能源回收的结合使其具有潜力成为未来清洁能源的一种选择。

2. 酶催化燃料电池酶催化燃料电池利用酶催化剂催化氧化还原反应，将化学能转化为电能。

这种电池的特点是化学反应速度快，对温度和压力的适应性强。

然而，酶催化燃料电池还面临着像酶稳定性、耐久性和成本等方面的挑战。

三、生物能源的应用与前景生物质能和生物燃料电池作为生物能源的两种主要形式，在能源领域具有广阔的应用前景。

微生物燃料电池骆沁沁20914133摘要：微生物燃料电池以微生物作为催化剂，直接把化学能转化为电能，具有燃料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好等优点。

本文简述了微生物燃料电池的工作原理及其最新的研究进展：主要是无介体微生物燃料电池的研究和高活性微生物的选用。

最后对微生物燃料电池的发展方向作出展望。

关键词：微生物燃料电池原理研究进展Abstract: Microbial fuel cell is a device converting chemical energy into ele ctrical energy directly with the microbial-catalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction and good biology consistence. After the principles of microbial fuel cell introduced briefly, the research progress was reviewed. Researching mediator-less microbial fuel cell and high-activity microbial are the new direction in the study of microbial fuel cell. At last, the prospects of microbial fuel cell were described.Key words: microbial fuel cell, principles, the research progress1 前言近些年来，化石燃料（煤、天然气、石油）的使用量逐年大量递增，据国内外学者统计，化石燃料的储备量仅能提供全球未来250年的能源使用，这引起了全球性的能源危机。

生物燃料电池的工作原理及其应用生物燃料电池是一种利用微生物或酶类催化物氧化有机物生成电能的电池。

它是一种新型的可再生能源技术，可以利用生物质、有机垃圾、农业废弃物等可再生资源，将其转化为电能。

生物燃料电池具有结构简单、环保无污染、能量密度高、装置便携等优点，具有广泛的应用前景。

一、生物燃料电池的工作原理生物燃料电池的工作原理是通过微生物或酶类催化物将有机物氧化成无机物，从而产生电流。

生物燃料电池主要有两种工作机制：微生物燃料电池和酶催化燃料电池。

1. 微生物燃料电池微生物燃料电池是利用微生物催化物将废弃物或生物质转化为电能。

微生物燃料电池包括两种类型：一种是微生物生产电流燃料电池（MFC），另一种是微生物生产氢气燃料电池（MBFC）。

MFC的原理是利用微生物合成有机物质并在阳极上进行氧化反应，同时在阴极上进行还原反应，这种反应可以产生电流。

MBFC的主要反应是通过微生物将废弃物或生物质转化成氢气，然后在阳极上进行氧化反应，同时在阴极上进行还原反应，从而产生电流。

2. 酶催化燃料电池酶催化燃料电池是利用酶类催化物将废弃物或生物质转化为电能。

酶催化燃料电池主要分为直接电子转移酶催化燃料电池（DET-MFC）和间接电子转移酶催化燃料电池（IET-MFC）。

DET-MFC是直接将底物化学能转换为电能，该反应是通过电子转移方式实现的。

IET-MFC是通过酶类催化物介导电子转移实现的。

二、生物燃料电池的应用生物燃料电池具有广泛的应用前景，主要应用领域包括环境保护、生物传感、能源供应等。

1. 环境保护生物燃料电池可以通过利用生物质、有机垃圾等废弃物，将其转化为电能。

这种技术可以有效降低废弃物的排放量和环境污染，达到环境保护的目的。

2. 生物传感生物燃料电池可以被用作生物传感器，通过监测微生物代谢产物或酶催化物代谢产物来分析环境中的有害物质，如氨、硫化氢等。

这种技术可以在不使用外部电力和电池的情况下，实时监测水质、土壤和大气环境中的有害物质。

生物燃料电池的性能与效率近年来，随着对可再生能源的需求和环境保护意识的提高，生物燃料电池作为一种新兴的能源转换技术备受关注。

生物燃料电池是利用生物质能源，如生物质废弃物、蔗糖等，通过与氧气反应产生电能的一种设备。

其性能与效率的提高对于其在实际应用中的推广至关重要。

首先，我们需要了解生物燃料电池的工作原理。

生物燃料电池属于一种微生物电化学合作系统，其中微生物起到了重要的作用。

在生物燃料电池中，微生物将有机物质氧化成产生电子的底物，通过导电材料传递给电极，然后经过电解质层，进而与氧气反应，产生电能。

在这个过程中，合适的催化剂也起到了至关重要的作用，能够加速反应速率，提高电池的效率。

然而，目前生物燃料电池的性能与效率还存在一些挑战和限制。

首先是能源转化效率的问题。

由于生物质能源的性质和含量的不同，生物燃料电池的能源转化效率较低，一般在30%左右。

这限制了其在实际应用中的推广和应用范围。

因此，改善能源转化效率成为提高生物燃料电池性能的关键。

其次，生物燃料电池的稳定性也是一个重要的问题。

由于微生物酶活性的限制以及底物浓度的变化，生物燃料电池的输出电流和电压存在较大的波动。

这会导致电池的使用寿命较短，不利于其在实际工业和生活领域的应用。

因此，提高电池的稳定性和可靠性是改进生物燃料电池性能的另一个关键问题。

为了解决这些问题，研究人员采取了一系列的措施。

首先，在底物的选择上，研究人员致力于寻找具有高度活性的微生物，如产氢菌、产电菌等。

这些微生物可以更有效地氧化底物，并产生出更多的电子。

其次，在催化剂的应用上，研究人员提出了许多新颖的催化剂体系，如金属纳米粒子、复合催化剂等，能够显著改善电化学反应的效果，提高电池的效率和稳定性。

此外，在电极材料方面也取得了一定的突破。

研究人员研发出一种基于纳米材料的电极，如碳纳米管、石墨烯等，可以提高生物燃料电池的传导性和反应表面积，从而提高电池的性能。

此外，研究人员还改善了电解质层的渗透性，使电子和离子能够更加快速地在电池中传递，提高能量转化的效率。

微生物燃料电池摘要：微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景。

本文介绍了微生物燃料电池的原理、影响微生物燃料电池的因素及近几年微生物燃料电池在环境污染治理中的研究进展。

关键词：微生物燃料电池双室质子交换膜微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物的催化作用将废弃物中碳水化合物的化学能转化为电能的一种装置[1]。

MFC 是一种清洁能源，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。

随着微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结构和性能不断改善[2]，逐步向环境领域扩展。

MFC的构造在双室[3]的基础上出现了单室[4]及升流式MFC[5]，底物由单一小分子有机物，如醋酸钠[3]、葡萄糖[4]，转向大分子混合有机物，如氯酚废水[6]、秸秆废水[7]、啤酒废水[8]等。

本文对MFC的工作原理、构造态进行了讨论，对提高MFC性能的途径和方法进行了整合。

1MFC工作原理及结构1.1MFC工作原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,降解有机物(葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等) 产生电子和质子。

产生的电子传递到阳极,经外电路到达阴极,由此产生外电流;产生的质子通过分隔材料(质子交换膜(PEM) 或盐桥) 或直接通过电解液到达阴极,在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递[9]。

而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。

目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上[11]。

有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。

直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。

生物燃料电池能斯特方程摘要：1.生物燃料电池简介2.生物燃料电池的工作原理3.能斯特方程在生物燃料电池中的应用4.生物燃料电池的优势与挑战5.我国在生物燃料电池领域的研究进展正文：生物燃料电池是一种利用生物质资源（如葡萄糖）作为燃料，通过生物氧化还原反应产生电能的装置。

作为一种可再生能源技术，生物燃料电池具有广泛的应用前景。

生物燃料电池的工作原理主要包括三个部分：生物反应器、酶电极和电子传递系统。

生物反应器中，微生物将生物质资源（如葡萄糖）氧化成二氧化碳和水，释放出电子。

这些电子通过酶电极上的氧化还原酶传递给外部电路，从而形成电流。

电子传递系统则负责在生物反应器和酶电极之间建立有效的电子传递途径。

能斯特方程在生物燃料电池中起到了关键作用。

能斯特方程描述了在给定温度下，氧化还原电位与反应物浓度之间的关系。

通过能斯特方程，可以预测生物燃料电池的输出电压和电流，进而优化酶电极的设计和生物反应器的操作条件。

生物燃料电池具有诸多优势，如高效、环保、可再生等。

然而，其发展也面临着一些挑战，如较低的能量密度、较短的寿命和复杂的操作条件等。

为了解决这些问题，研究者们不断努力优化生物燃料电池的结构和性能。

近年来，我国在生物燃料电池领域的研究取得了显著进展。

研究者们开发出了新型酶电极、生物反应器和电子传递系统，显著提高了生物燃料电池的能量密度和稳定性。

同时，我国政府对生物燃料电池技术的支持力度也在不断加大，为这一领域的发展提供了有力保障。

总之，生物燃料电池作为一种具有广泛应用前景的可再生能源技术，在能斯特方程等理论的指导下，正不断迈向成熟。

MFC1. 什么是生物燃料电池（MFC)(07/17/2007)从生物/微生物中提取电能在20世纪初就被发现,直到20世纪70年代陆续有研究文章发表.1980年开始,一些英国的研究者做了不少关于微生物燃料电池(microbial fuel cell---MFC)研究,持续了10年. 到90年代末,美国的一些研究者把这个题目找出来逐步"发扬光大"。

可能因为能源危机的问题,现在MFC的研究表现的越来越热.在这方面做的比较好的是比利时的一个研究组,他们的电池功率目前是最高的.Penn State的Bruce Logan发表的文章最多. 另外Umass的DR Lovley刚拿到一个huge grant $ 23 M, 估计接下来的几年会做出不少的东西.MFC和Fuel cell显著的区别就是anode: MFC在anode里用微生物或者生物酶做催化剂,一般没有Pt.因为生物的存在,anode的温度就不可能很高,一般MFC的运行温度在室温和37C之间.燃料则是"有机物",用于microbe生长. microbes在降解有机物(比如葡萄糖)的时候,产生protons 和electrons,其余的原理就和fuel cell一样了.MFC的cathode也用Pt或者其他化学药品(例如ferricyanide) 来促进反应. MFC产生的功率远小于Fuel cell,最高也就是几W/m2,现在可能提高了一些. 因为MFC和fuel cell应用不同,所以不需要那么高的功率输出. 另外,MFC可能会用于大型反应器,所以anode 的电极不大会用carbon paper,而用一些表面机更大的,象graphite granular;现在计算MFC功率的时候,一般用anode volume (W/m3),而不是电极表面积. MFC 的future application可能是废水处理过程,因为废水可以提供"免费"的有机物让微生物来降解,并且产生电能,一箭双雕. 目前废水处理过程也产生能量,比如甲烷气(methane). 因为methane还需要额外的步骤来发电,而MFC可以一步到位,所以如果MFC可以有high efficiency,比传统的废水处理过程要有不少优势(如果可以达到高效的话).MFC2. 微生物燃料电池中生物阴极的应用(09/04/2007)发展背景微生物燃料电池(microbial fuel cell - MFC)是一种特殊的电化学电池. 它通过微生物在阳极降解有机物产生电子. 而在阴极, 阳极产生的电子和正离子还原氧气,最终产物为水. 电子从阳极到阴极的传输产生电流. 第一个生物电流的实验证明是在十八世纪晚期,Luigi Galvani发现,当用金属导体把青蛙腿连接起来的时候, 有电流反应产生. 为了进一步研究生物电流, Michael C. Potter在1911年建立了第一个微生物燃料电池. 1931年, Barnett Cohen发现在阳极加入铁氰化钾(potassium ferricyanide) 或者苯醌(benzoquinone) 作为电子传输中介物,可以提高电流. 虽然在二十世纪六十年代微生物燃料电池成为一个研究热点, 但是研究人员还无法成功地建造一个可以持续运行的实验装置. 八十年代,英国的研究人员H. Peter Bennetto 成功利用单种细菌和电子传输中介物通过氧化有机物来发电. 同时, 日本的研究人员发现光合自养型的细菌可以把光能转化成电能. 在过去的十年中,因为全球能源危机问题, 微生物燃料电池引起了越来越广泛的关注. 研究的方向包括理解电子传输的机理和建造实用的反应器装置.非生物阴极非生物阴极大多利用氧气为最终电子接收物,也有研究过氧化氢作为阴极氧化物. 因为氧气还原效率在碳/石墨表面很低, 所以通常情况下,阴极反应需要催化剂或者电子传输中介物. 铂是目前使用最广泛的阴极催化剂,但是其材料昂贵, 催化性能容易被一些特殊物质污染.另外, 微生物燃料电池阴极溶液的pH值会随反应而升高, 从而限制铂的催化能力. 电子传输中介物大多是一些含有过渡金属的化合物,比如含铁和钴的物质.生物阴极传统的微生物燃料电池是”半生物性的”,因为只有阳极存在生物反应,而阴极通常采用金属催化剂来完成还原氧气的反应. 但是, 微生物在阴极的生长是不可避免的. 研究人员已经发现了几种在阴极的生物新陈代谢过程,为研究生物阴极开启了大门. 相比于非生物阴极,生物阴极有如下优点: (一) 建造和运行微生物燃料电池的费用可能被降低,因为不再需要贵重金属催化剂, 也不需要添加化合物来作为电子传输中介; (二) 生物阴极可以提高微生物燃料电池的可持续性; (三) 生物阴极里的微生物活动可以被用来产生有用的物质或者去处污染物. 总的说来,生物阴极可以被分为好氧(氧气为最终电子接受物)和厌氧(其他非氧气物质为最终电子接受物)生物阴极.好氧生物阴极氧气是应用最广泛的阴极电子接受物. 氧气有很高的氧化还原电位, 而且大量存在于空气中,降低了使用费用. 好氧生物阴极的一个研究重点是利用过渡金属化合物, 包括锰和铁,协助电子从阴极传输过氧气. 高价位的金属充当临时电子接受物, 从阴极接受电子,通过微生物的”呼吸作用”被还原成低价位金属. 然后低价位的金属被氧气氧化回到高价位, 将电子传输给氧气. 在这个循环过程中,电子从阴极被传送到氧气. 另一种好氧生物阴极则是通过藻类的光合作用为阴极反应提供氧气. 实际应用中, 上述的这些机理可能同时发生. 例如, 研究人员发现海洋生物膜可以提高氧气还原效率. 在这个过程中, 锰化物可能参与电子传输; 另外,藻类的生长也不可避免.厌氧生物阴极在没有氧气的时候,其他物质, 例如硝酸盐,硫酸盐,铁化物和锰化物, 也可以作为最终电子接受物. 其中, 硝酸盐,铁化物和锰化物具有接近氧气的新陈代谢活性,是潜在的替代氧气的阴极电子接受物. 厌氧生物阴极的一个优点就是可以防止氧气通过正离子交换膜渗透到阳极,从而影响到阳极的厌氧微生物生长. 目前为止, 只有硝酸盐和硫酸盐被用于研究. 硝酸盐(+0.74Ｖ)的氧化还原电位比硫酸盐（-0.22V）更接近氧气(+0.82V), 所以更适合做为阴极电子接受物. 利用硝酸盐进行阴极反应, 与硝化反应类似,唯一不同的地方是, 硝化反应通过氧化有机物得到电子, 而生物阴极则依靠阴极供给电子. 比利时的研究人员已经成功将硝酸盐用于阴极的还原反应, 为微生物燃料电池应用在污水处理中的可行性提供了进一步的实验证明.小结生物阴极是一项使微生物燃料电池更具优势和可持续性的技术. 在实现这项技术之前, 我们必须理解阴极的生物电子传输机制, 以便于更合理地选择和利用微生物.MFC3. 微生物燃料电池中的共生现象(09/18/2007)共生现象在自然界普遍存在, 比如动物体内的寄生细菌降解一些动物肠胃无法消化的物质,同时也获取用于自身生长的能量. 再比如, 一种小鸟从鳄鱼的嘴中获取食物, 即帮助鳄鱼清洁了牙齿,同时也利用鳄鱼的嘴做为保护自己的场所, 两者和睦相处. 共生现象有几种类别, 有双方彼此都受益的,也有一方受益另一方不受益, 甚至还有一方受益而另一方受害的. 在废水处理中, 也存在共生现象. 一个典型的代表就是厌氧消化过程中,发酵细菌将复杂的碳水化合物分解成相对简单的有机物(酸). 这些发酵产物随后被其他细菌消食, 例如,醋酸化合物可以被甲烷菌(注: 严格意义上, 甲烷菌不是细菌-bacteria, 而是archaea)利用产生甲烷气体. 微生物燃料电池的阳极类似于废水处理中的厌氧消化过程, 因此, 微生物之间的共生现象不可避免. 最近, 宾州州立大学和麻省大学艾莫斯特分校的研究人员先后发表论文, 从不同的角度研究和探讨了阳极的共生现象.宾州州立大学的研究人员利用细菌Clostridium cellulolyticum分解纤维素, 其产物被另一种细菌Geobacter sulfurreducens用于厌氧呼吸(anaerobic respiration), 产生电子和电流. 纤维素是一种富含有机物的生物物质, 也是一种潜在的生物能源(bioenergy)的载体. 但是它很难被直接利用,需要进行预处理和水解成为简单的碳水化合物,比如葡萄糖. 只有很少的一些微生物(bacteria and fungi)或者特殊的生物酶可以水解纤维素, 产物包括氢气, 醋酸物和乙醇. Clostridium是一种专性厌氧细菌, 因其降解纤维素的特殊能力而受到工业届的广泛重视. 在这项研究中, 科研人员设计了对照实验, 证明C. cellulolyticum可以分解纤维素,但无法产生电流; G. sulfurreducen无法利用纤维素生长,因而也没有电流产生. 但是,当把两种细菌混合起来的时候,微生物燃料电池产生出了电流. 而且, 当G. sulfurreducen存在的时候, 纤维素(carboxymethyl cellulose-CMC)的降解效率比C. cellulolyticum单独生长的时候提高了18%. 这项研究的创新之举在于首次利用特殊的细菌在微生物燃料电池降解非水溶性的有机物, 并且用实验展示了两种细菌在发电过程中的共生关系. 此外, 实验结果也进一步论证了发酵过程和厌氧呼吸过程的结合可能比单一菌种的活动更加有利于能量的产生.麻省大学艾莫斯特分校的研究则是关于两种都可以进行厌氧呼吸,利用三价铁做为电子接受物的细菌, Geobacter sulfurreducens和Pelobacter carbinolicus. 前者是已知的可以发电的细菌, 而后者被大量发现于建立在水沉积物中的微生物燃料电池的阳极上. 通常意义上, 可以还原三价铁氧化物的细菌都可以利用阳极作为电子接受物, 但是实验结果表明P. carbinolicus基本不具备这样的能力. 科研人员发现, 当乙醇作为微生物燃料电池的燃料, G. sulfurreducens不能够代谢这种燃料; P. carbinolicus可以将乙醇用于生长,但是不能产生电流. 混合生长的时候, 乙醇被P. carbinolicus转化为氢气和醋酸物, 然后G. sulfurreducens 利用这些产物发电. 共焦显微镜(confocal)和对16S rRNA基因的分析表明, 两种细菌在阳极表面的数量几乎相等, 但是在阳极水溶液中, 绝大多数是P. carbinolicus. P. carbinolicus 是第一种可以还原三价铁氧化物却不能在微生物燃料电池中产生电流的细菌. 与其他可以产生电流的细菌相比, P. carbinolicus缺乏外细胞膜的细胞色素(cytochrome), 一种被认为是连接细胞内部和阳极的可导电的蛋白质.微生物燃料电池研究的一个关键问题就是理解阳极微生物的活动和它们之间的相互作用. 利用单一菌种(pure culture)来研究共生现象将对认识阳极微生物的新陈代谢和电子传输过程有重要的帮助.MFC 4. 沉积物微生物燃料电池工作原理沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell) 的工作原理与微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell) 类似, 但是反应器结构要简单很多. 在沉积物微生物燃料电池中, 作为阳极的电极被埋在水底沉积物的浅层中(1-10厘米深), 而作为阴极的电极则悬于阳极上方的水中. 不同于常规的微生物燃料电池, 沉积物微生物燃料电池不需要使用离子交换膜将阳极和阴极分开, 而是利用水中溶解氧浓度由浅至深逐渐减少自然地把阳极和阴极分成缺氧区和有氧区. 因此, 在沉积物和水体的界面上自然形成了一个氧化还原的梯度, 使阴,阳电极之间可以产生大约0.7 V的开路电压. 水底沉积物含有多种厌氧细菌, 可以将经过多年沉降积累的有机物分解, 并把电子传输给阳极. 而悬在含溶解氧相对高的水中的阴极则接受电子, 完成氧气还原反应. 一些特殊的沉积物微生物燃料电池采用牺牲阳极和生物阴极(参见下文).优缺点沉积物微生物燃料电池的优点就是结构简单, 不需要太多的维护, 建造和运行费用低. 在自然水体中的长期运行会在阴极形成生物膜, 有可能帮助氧气还原反应. 但是,沉积物微生物燃料电池一般都不使用阴极催化剂, 而且沉积物中的有机物含量有限, 所以其功率输出也很有限. 沉积物微生物燃料电池的运行条件不象其他微生物燃料电池那样得到严格的控制, 在自然条件下会产生波动, 也会影响到功率输出. 此外, 因为水中溶解氧浓度随着水深不断降低, 沉积物微生物燃料电池不可能应用于太深的水体中, 也就是说, 不可能应用于离陆地太远的水体中. 华盛顿大学(圣路易斯) 的研究人员设计了一种可旋转的阴电极, 希望利用水流或者海潮来推动阴极旋转, 通过旋转将空气中的氧气带入水中, 提高阴极附近的溶解氧浓度.实际应用因为输出功率低, 沉积物微生物燃料电池的应用大多是为远程监测仪器提供电能. 这类电子设备不需要太高的电能, 也不需要频繁地维护. 尽管如此, 它依然是微生物燃料电池中最有可能在短期内投入到实际应用中的一种. 美国海军研究实验室已经研制开发了一种沉积物微生物燃料电池, 称为Benthic Unattended Generator, 简称BUG. 这种BUG被放置在河水或者海水底部, 为监测空气温度, 气压, 相对湿度和水温的电子仪器提供电能, 数据通过无线发射器(也由BUG 提供电能) 传输到附近的海军研究实验室. 蒙大拿州立大学的研究人员设计了一种由金属镁作为牺牲阳极, 和生物沉积锰化物作为阴极的沉积物微生物燃料电池. 该电池被设置在河底, 为一个无线传感器提供电能. 随着对微生物燃料电池的认识的不断加深和越来越广泛的新材料应用, 沉积物微生物燃料电池还可能被用做生物修复, 或者生态修复的一种手段.MFC5 微生物燃料电池阳极的电子传输机制生物燃料的前景因其潜在的环境影响和原材料来源等问题受到科学届的质疑. 但是, 随着储量有限的fossil fuel不断消耗, 寻求可再生能源成为全球性的紧急问题. 未来可替代性的能源组成应该是多元化的, 能源需求应该被多种形式分担, 既包括某些可提供大规模长期能源的形式, 也包括可提供局部小规模需求的形式.微生物燃料电池(microbial fuel cell – MFC) 是一种新型的”废水–能源” 转化方式. MFC的”原材料”是废水和废物, 不存在与人类争夺粮食(比如,生物乙醇的生产)的问题; 其过程也是清洁环境的过程, 因此它的环境影响是积极的. MFC不可能成为主要的能源提供者, 但是满足局部小规模的能源需求还是可行的. 目前, MFC研究的最主要问题就是理解微生物与电极(阳极; 绝对大部分阴极都是非生物性的)之间的相互作用(电子传输过程), 这是进一步提高MFC功率输出的基础. 虽然具体的电子传输机制还不是十分清楚, 但是在大体上,研究人员总结了两种电子传输机制: 直接电子传输(direct electron transfer – DET) 和间接电子传输(mediated electron transfer – MET). 笔者认为, 电子传输机制还可以按照另一种方式分类: 微生物的新陈代谢过程, 即, 微生物是否通过电子传输获得自身生长的能量. 电子传输实际上就是微生物的呼吸过程(respiration). 就好象人要通过呼吸氧气生存,微生物也需要通过”呼吸过程”获得生长的能量. 在这个过程中, 微生物分解有机和无机物质(electron donor), 产生电子, 并传输到最终电子接受物(terminal electron acceptor). 对于好氧微生物来说, 最终电子接受物为氧气; 而厌氧微生物的最终电子接受物为(亚)硝酸盐,(亚)硫酸盐,金属化合物和二氧化碳等等. 在MFC的阳极,电子接受物则为电极.当微生物可以通过”呼吸”阳极获得生长的能量, 同时产生电流时, 它们可以通过DET或者MET 来传输电子. 在DET过程中, 细菌和电极有直接的接触,并利用细胞外膜的可导电性的蛋白质作为电子中介物,将电子传输到电极上. 研究人员发现, Geobacter的一些菌种在利用电极生长的时候, 某些细胞外膜蛋白(outer membrane protein)有很高的表达, 意味着这些蛋白质可能做为电子传输的中介物. 此外, Geobacter 和Shewanella的某些菌种会产生一种可导电的纳米线(nanowire),既可以连接临近的细菌形成生物膜结构, 还可以传导细菌新陈代谢产生的电子. 通过nanowire, 距离电极一定距离的细菌也有可能参与到MFC的电流产生过程中. MET是另一种主要的电子传输过程, 因为可以利用电子中介物质(electron mediator)传输电子, 细菌不需要和电极有直接的接触. 早期的研究主要通过添加人工合成的化学物质来提高电流输出, 间接证明了电子中介物质的作用. 近年来, 研究人员发现Pseudomonas aeruginosa 可以产生自己的电子中介物- pyocyanin. 当相关的基因被删除后, 电流产量下降很多. 阳极可以诱导pyocyanin的产生. 细菌重复利用这种电子中介物至少11次.在阳极生长的微生物中, 也有很多细菌不能进行”电极呼吸”, 但是它们可以通过新陈代谢的产物间接地参与到电流产生的过程中. 这些产物可以和阳极进行非生物性反应, 从而产生电子以及电流. 在对Bacteroides thetaiotaomicron的研究中, 科研人员发现, 当这种细菌在阳极生长的时候, MFC的电流显著增长, 减缓细菌生长的同时也降低了电流产生. 但是, 基因芯片(DNA Chip)的对比分析显示, 无论细菌是否生长在MFC的阳极上, 其基因表达都没有显著差别, 表明这种细菌不能利用阳极作为电子接受物, 因而也不可以进行”电极呼吸”. 其生长与电流产生之间的关系, 可能是由于新陈代谢产物与电极之间的非生物反应形成的.对于研究电子传输机制, 使用单一菌种有很多优势. 但是, 在一个复杂的阳极环境中(含有多种微生物的菌群), 电子传输的机制不是唯一的, 可能是上述几种过程的混合.前言生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。

葡萄糖燃料电池研究进展葡萄糖作为一种生物质燃料，可用于代替甲醇作为燃料电池的能源。

本文主要根据葡萄糖燃料电池的分类，分别对葡萄糖生物燃料电池和直接燃料电池的研究进展进行介绍和分析，并展望了葡萄糖燃料电池的应用前景。

标签：葡萄糖燃料电池生物燃料电池直接燃料电池研究进展燃料电池作为一种新型能源，具有能量转换效率高、功率密度高、响应速度快、启动时间短、洁净、无污染、噪声低等优点，适用于可移动动力源、电动车以及分散电站，既可以集中供电也适合分散供电。

葡萄糖是具有潜在的巨大能量密度的生物质燃料，其完全转化为CO2将转移24个电子，经热力计算可得理论能量密度为4430 Wh·kg-1[1]。

造纸、酿酒等工业废水中都含有大量的葡萄糖，且相较于甲醇等生物质燃料，葡萄糖具有无毒无臭、清洁等特点，可成为代替甲醇作为燃料电池的能源。

一、葡萄糖燃料电池的分类根据葡萄糖燃料电池（Glucose fuel cell，GFC）按照催化剂的种类可以分为葡萄糖生物燃料电池（Biofuel cell，BFC））和葡萄糖直接燃料电池（Direct glucose fuel cell，DGFC）。

葡萄糖生物燃料电池是以微生物或酶为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的一种特殊燃料电池。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是通过微生物的催化反应将化学能转换成电能，相对酶燃料电池（Enzyme biofuel cell，EBFC）寿命较长。

但由于细胞膜的传质阻碍，使电子从微生物转移到电极上的比较困难，导致其产电性能较低。

酶生物燃料电池通过的酶来催化燃料的氧化和氧的还原。

一方面，单酶只能部分氧化葡萄糖，能输出的能量密度较低；另一方面酶是蛋白质，其寿命很短也很容易受到环境的影响，所以大多酶生物燃料电池只能部分氧化燃料且寿命有限。

近年来的一些研究中，在碱性溶液下使用贵金属催化剂（如铂）来代替酶或微生物，以增加葡萄糖燃料电池的产电性能[2]。

燃料电池的研究进展和应用燃料电池是一种通过化学反应产生电能的新能源技术。

它与传统的电池不同，传统电池产生电能的材料是放化物，而燃料电池是利用燃料和氧气导电性来产生电能。

燃料电池具有高效率、零或低污染、长寿命等优势，被广泛应用于发电、航空航天、交通运输、军事装备等领域。

本文将介绍燃料电池的研究进展和应用。

一、燃料电池的种类燃料电池可按照燃料种类分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、碳酸盐燃料电池、烷基化蓖麻油酸酯燃料电池等几种形式。

其中，质子交换膜燃料电池是最为常见的，它可以通过水解反应将氢气和氧气转化为电能，产生的产物是水。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高温燃料电池，其实质是温度梯度发电，工作温度大约在800℃至1,000℃之间。

直接甲醇燃料电池（DMFC）则是利用甲醇作为燃料直接电离成CO2和水，没有二氧化碳和其他有害气体的排放。

碳酸盐燃料电池（MCFC）利用的燃料是非常丰富的，是一种兼具环境保护和节能的燃料电池。

烷基化蓖麻油酸酯燃料电池（ARBFC）则是将生物质转化为可作燃料的蓖麻油酸酯后，利用烷基化蓖麻油酸酯作为燃料，发电时产生CO2。

二、燃料电池在发电领域的应用作为一种低污染、高效率、适用范围广的新型发电技术，燃料电池得到了越来越广泛的应用。

目前，燃料电池已经广泛地应用于移动电源、家庭备用电源、办公场所和旅游景区供电、城市、区域和汽车动力等领域。

在移动应用领域，燃料电池可以用作移动电源，如笔记本电脑、手机等，极大的方便了人们出行时的能量需求。

在家庭备用电源领域，燃料电池可以提供家庭生活必需品的电力保障，免去了因为停电造成的诸多不便和损失。

在办公场所和旅游景区供电领域，燃料电池可以作为突发特殊情况导致的电网中断或供电不稳定的替代能源，保障了场所正常工作和游客旅游需求。

在城市，区域和汽车动力领域，燃料电池则是贡献巨大。

三、燃料电池在汽车领域的应用燃料电池汽车是利用燃料电池直接转化燃料氢气为电能，以驱动车辆运动的一种新能源汽车。