微生物燃料電池的研究及應(yīng)用

鐘思聰 陳婷婷

【摘要】本文在此通過對(duì)微生物燃料電池的研究，論述了它的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】微生物燃料電池，研究，應(yīng)用

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環(huán)境下，有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。

一、作用原理

參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種：（1） 微生物將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體，介體再將電子傳遞給電極；（2）介體能進(jìn)入到微生物體內(nèi)，參加反應(yīng)被還原，從微生物體內(nèi)出來后再將電子傳遞給電極；（3） 微生物吸附在電極表面，它將反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳遞給在細(xì)胞表面的介體，再通過介體傳遞給電極。

二、研究目的和意義

目前，我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速。在工業(yè)化快速推進(jìn)過程中，對(duì)能源的需求和依賴日益增長(zhǎng)。然而，目前支撐著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的化石燃料已經(jīng)難以為繼。因此，發(fā)展新能源和可再生能源，減少對(duì)國(guó)際石油市場(chǎng)的依賴，已經(jīng)成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略性布局。微生物電池不僅用于產(chǎn)生清潔能源，還能凈化污水。污水處理費(fèi)時(shí)費(fèi)錢還消耗大量能量，基本是個(gè)只投入不產(chǎn)出的行業(yè)，也是讓各國(guó)政府頭疼的一大難題。因此，又能凈化水質(zhì)，又能發(fā)電的微生物燃料電池一旦出現(xiàn)，將有望把污水處理變成一個(gè)有利可圖的產(chǎn)業(yè)。微生物燃料電池（Microbial fuel cell， MFC）是一種以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前已發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產(chǎn)電。理論上，堿性條件可以抑制甲烷的產(chǎn)生從而有利于電能輸出，而且堿性廢水是工業(yè)廢水的重要組成部分。產(chǎn)電微生物如何將有機(jī)物代謝產(chǎn)生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個(gè)重要方向，因此，研究堿性條件下的微生物產(chǎn)電機(jī)制對(duì)MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所應(yīng)用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制研究方面取得突破性進(jìn)展。他們從污染環(huán)境中分離出一株嗜堿性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在堿性條件下能夠分解有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生電能，最佳pH為9.5。通過研究發(fā)現(xiàn)，該菌株在MFC體系中代謝有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），該介體起電子穿梭的作用從而實(shí)現(xiàn)電子從有機(jī)物到電極的傳遞過程。

三、研究?jī)?nèi)容與方法：

1、微生物燃料電池的菌種群落的培養(yǎng)

產(chǎn)電細(xì)菌是微生物燃料電池的核心構(gòu)件。產(chǎn)電細(xì)菌的電化學(xué)活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對(duì)于微生物燃料電池中的微生物， 不論是自身具有電化學(xué)活性，還是進(jìn)行種間電子傳遞，對(duì)于它們構(gòu)成的生物群落的研究剛剛開始。本項(xiàng)目將依托舟山地區(qū)得天獨(dú)厚的自然地理環(huán)境和豐富的微生物群落，通過對(duì)海底沉積物的選取和以及細(xì)菌培養(yǎng)，以期能夠發(fā)現(xiàn)新型產(chǎn)電細(xì)菌，提高海底微生物燃料電池的功率密度， 并研究其產(chǎn)電機(jī)理。

2、海洋沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

微生物燃料電池系統(tǒng)主要包括三個(gè)要素：陽極，陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環(huán)境中，海水中含有高濃度的鹽分，工作環(huán)境惡劣，這將對(duì)海洋沉積物燃料電池的構(gòu)件提出了更高的要求。另外，微生物燃料電池的造價(jià)也會(huì)直接影響微生物燃料電池的實(shí)用化進(jìn)程。在微生物燃料電池的使用中，一般使用氧氣做電子受體，碳擔(dān)載的貴金屬納米粒子（Pt）作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽極和陰極隔開。貴金屬催化劑的使用，提高了微生物燃料電池的成本，并且，海水中的氯離子會(huì)對(duì)Pt催化劑產(chǎn)生毒化作用，這將會(huì)造成微生物燃料電池的效率損失。因此，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一種新型的微生物燃料電池系統(tǒng)，采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物，利用水離解產(chǎn)生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質(zhì)，隔絕海水中氯離子對(duì)陰極催化劑的毒化作用這是本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵。

四、研究目標(biāo)與結(jié)果

第一部分為對(duì)原有燃料電池的改造：本實(shí)驗(yàn)室原有燃料電池反應(yīng)器多個(gè)，但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細(xì)菌，需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長(zhǎng)的密閉培養(yǎng)室。

第二部分為培育和優(yōu)化產(chǎn)電菌種群落：本項(xiàng)目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物，在燃料電池細(xì)菌培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng)，啟動(dòng)并測(cè)試微生物燃料電池的功率密度，以期能夠得到高功率，非硫還原的產(chǎn)電菌種。

第三部分為陰極催化劑研究：本項(xiàng)目將采用過渡金屬碳化物為研究目標(biāo)，制備出高催化活性的陰極催化劑。理論計(jì)算表明，過渡金屬表面與氧結(jié)合能過大，使得由氧分子還原得到的氧原子脫附需要克服大的能量勢(shì)壘，造成了氧還原過程中的極化損失，是過渡金屬不能作為氧還原催化劑的關(guān)鍵。過渡金屬中加入碳化物能夠使得過渡金屬的d電子帶中心上移，降低氧與過渡金屬表面的結(jié)合能，促進(jìn)氧還原反應(yīng)的加速進(jìn)行。本項(xiàng)目使用過渡金屬（Ni W等）鹽與乙醇反應(yīng)，生成有機(jī)過渡金屬化合物膠體，然后加入尿素作為還原劑，在高溫下反應(yīng)生成過渡金屬碳化物納米粒子，作為微生物燃料電池陰極催化劑。

第四部分為海洋實(shí)際環(huán)境下微生物燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試：本項(xiàng)目將實(shí)驗(yàn)二所優(yōu)化的產(chǎn)電菌種接種至沉積物燃料電池陽極，然后將陽極放入至指定海底沉積物中。海洋沉積物微生物燃料電池陰極反應(yīng)室將采用雙極膜與海水隔開，陰極反應(yīng)室內(nèi)為酸性電解液。活化之后測(cè)試海洋實(shí)際環(huán)境下微生物燃料電池系統(tǒng)的功率、穩(wěn)定性以及其它性能。