优缺点
✓可利用有机物质作为燃料 ✓有机质转化效率高（90%） ✓运行温度低, 安全性强 ✓产物主要是CO2 ✓生物相容性好,可以利用人体内的葡萄糖和氧气
产生能量,作为人造器官的动力源 输出功率太低（7Wm-2）
前景
微生物燃料电池是一种能将产生新能源和解决环 境污染问题有机的结合起来的新技术
为今后人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃 圾等生物质资源进行发电提供了广阔的前景
Rabaey K, Verstraete W. Trends Biotechnol, 2005,23:291–8
工作原理
• 电子由微生物到阳极的传递过程 • 1. 电子在微生物细胞内传递
细胞色素
氢化酶 辅酶
氢酶
微生物氧化代谢中的呼吸链
Lovley DR, Coates JD, Blunt-Harris EL, Phillips EJP, Woodward JC. Nature, 1996,382:445–8
提高输出功率，降低材料成本，设计无介体无膜 系统，保证系统运行的稳定性和连续性
Oh SE, Logan BE. Appl Microbiol Biotechnol, 2006,70:162–9 He Z, Wagner N, Minteer SD et al. Environ Sci Technol, 2006, 40: 5212-7
阴阳极反应室操作条件
• 阳极侧有机质浓度和种类
微生物燃料电池技术
主要内容
微生物燃料电池工作原理 微生物燃料电池部件与结构 性能制约因素 微生物燃料电池的应用 优缺点与前景
工作原理
阳极微生物在厌氧条件下代谢有机物，产生 电子和质子，质子通过质子交换膜或电解质 直接传递到阴极与氧气、电子结合生成水。
例：葡萄糖
阴极6O2+24e-+24H+——12H2O 阳极C6H12O6+6H2O——6CO2+24e-+24H+
阳极CV
醋酸盐
丁酸盐
Park DH, Zeikus JG. Appl Microbiol Biotechnol, 2002,59:58–61 Liu H, Cheng SA, Logan BE. Environ Sci Technol, 2005, 39: 658-62
阳极
• 有机质流速
温度
过高的流速和温度促使发酵细菌增长过快酸化阳极
电池部件与结构
电极 催化剂
石墨棒 碳纸 碳布
Pt Pt black MnO2
石墨毡
铂
铂黑
质子交换膜
Nafion
反应室
两室/单室
Liu H, Logan BE. Environ Sci Technol, 2004,38:4040–6 Min B, Cheng S, Logan BE. Water Res, 2005,39:1675–86
Park DH, Zeikus JG. Biotechnol Bioeng, 2003,81:348–55
内阻因素
• 盐桥和Nafion®
AS, Logan BE. Water Res, 2005,39:1675–86
内阻因素
面积
RΩ=8.6, Rct=7.1, Rdif=1.46 Ω
动力学因素—电极材料
• 体系：菌种E.Coli+0.55mmolC6H12O6
Pt黑 Pt 碳纸
Schroder U, Nieben J, Scholz F. Angew Chem Int Ed, 2003,42:2880–3
动力学因素—电极材料
• 电极改性
石墨毡 Fe3+/石墨毡
A
C
Mn4+
I 增大4倍
反应室—两室
Min B, Logan BE. Environ Sci Technol, 2004,38:5809–14 Min B, Cheng S, Logan BE. Water Res, 2005a,39:1675–86
反应室—单室
Park DH, Zeikus JG. Appl Environ Microb, 2000,66:1292–7 Park DH, Zeikus JG. Appl Microbiol Biotechnol, 2002,59:58–61
工作原理
• 2. 电子在细胞外传递
有介体电子转移—甲基紫精、中性红、Fe3+和醌等 无介体电子转移—微生物细胞与电极形成体接触，通过与细胞膜关
联物质转移电子
可溶性氧化还 原介体
Lovley DR, Holmes DE, Nevin KP. Adv Microb Physiol, 2004,49:219–86 Lowy DA, Tender LM, Zeikus JG, Park DH, Lovley DR. Biosens Bioelectron, 2006,21:2058–63
Moon H, Chang IS, Kim BH. Bioresource Technol, 2006,97:621–7
阴极电子受体
• 溶解氧浓度
铁氰化物
Oh SE, Min B, Logan BE. Environ Sci Technol, 2004,38:4900–44 Oh SE, Logan BE. Water Res, 2005,39:4673–82
应用
生物发电 生物制氢 废水处理 生物传感器
Allen RM, Bennetto HP. Appl Biochem Biotechnol, 1993,39/40:27–40 Choi Y, Jung E, Kim S, Jung S. Bioelectrochemistry, 2003,59:121–7
性能制约因素
动力学因素
➢ 微生物 ➢ 电极材料
内阻因素
➢ 电解质
阴阳极反应室操作条件
➢ 阳极 ➢ 阴极
Max. 7W m-2 !
动力学因素—微生物
1. 产电效率高 2. 不同种复合培养（微生物的生成物作为介体） 3. 对于无介体传递电子的微生物选择大面积阳极
性能 √
性能
Scott K, Murano C. J Chem Techol Biotechnol, 2007, 82: 82-92