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微生物燃料电池（MFC）
汇报人：xxx
日期：2017.12.20
概念
MFC（microbial fuel cell）：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的装置。在微 生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温 常压下进行能量转换。
nCO2＋ 2H2O
LOGO MFC的基本原理
LOGO 微生物燃料电池的分类
LOGO 微生物燃料电池的分类
根据营养类型
异养 异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；
光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌)利用光能 光能异养 和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；
沉积物型 沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差 产生电能。
LOGO 微生物燃料电池的分类
介体微生物燃料电池
微生物细胞膜含有肽键或 类聚糖等不导电物质，对电子 传递造成很大阻力，需要借助 介体将电子从呼吸链及内部代 谢物中转移到阳极。
在微生物燃料电池中加入 适当的介体，会显著改善电子 的转移速率。
介体应该具备的特性
• 介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞 内部的还原组分；
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
பைடு நூலகம்
4
未来研究趋势及展望
5
基础研究案例分析
LOGO MFC的基本原理
e-
e-
负载
CO2
e-
有机物H+ 微生物
O2
e-
H2O H+
阳极室
PEM
阴极室
图1.微生物燃料电池工作原理 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell
LOGO 微生物燃料电池的分类
依据微生物燃料电池的外型分类 双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，膜材料， 阴阳极板材料等)。 单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴 阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低， 只有30％。
5
基础研究案例分析
LOGO 研究背景
目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续
发展的两大根本性问题。
大气污染：酸雨，光化学烟 雾，温室效应等
化石燃料的的使用
土壤污染：重金属沉积等
水环境污染：含矿废水
因此，寻求可再生的新能源已引起广泛的关注，微生物燃料电池是一种可以实现 能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下微生物燃料电池作为一种可利用有机废 物产能的装置正走向世界能源的舞台。
LOGO 发展现状
2002 年后
1991 年 20 世纪 80
年代末期
1910年
人们发现一些细菌可以直接将电 子传递给固体导体，如阳极，由 此提出了无需外加电子传递介体 的微生物燃料电池，使微生物燃 料电池的研究又进一步有了突飞 猛进地发展。 近几年, MFC的研究已经成为治 理和消除环境污染源,开发新型 能源研究工作者的关注热点。
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧 化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳 极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路 产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极， 与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所 示：
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O 4ne-＋4nH+ 阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
• SMFC：沉积物微生物燃料电池 • MEC(Microbial Electrolysis Cell):生物 电 解 池 • PEM(Proton Exchange Membrane):质子交换膜
目录
CONTENTS
1
研究背景与发展现状
2
微生物燃料电池概述
3
微生物燃料电池的应用
4
未来研究趋势及展望
LOGO 发展现状
2002 年后
1991 年
开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的 范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污
20 世纪 80 年代末期
水得到的电池功率才有所增强；
采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；
1910年
英国植物学家马克·比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的 培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研 究的序幕；
LOGO 微生物燃料电池的组成
LOGO 微生物燃料电池的组成
组成成分
阳极 阴极 阳极室 阴极室 质子交换膜 电极催化剂
原料
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳
石墨、碳纸、碳布、铂、 铂黑、网状玻碳
玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃
玻璃、聚碳酸脂、有机 玻璃
质子交换膜、盐桥、玻璃 珠、玻璃纤维和碳纸
铂、铂黑、聚苯胺、固定 在阳极上的电子介体
LOGO 微生物燃料电池的组成
其电子直接从微生物 细胞膜传递到电极， 呼吸链中细胞色素是 实际电子载体；提高 电池功率，关键在于 提高细胞膜与电极材 料的接触效率。 A细胞膜
指微生物燃料电池中 的细菌能分泌细胞色素、 醌类等电子传递体，可将 电子由细胞膜内转移到电 极上。
可使用微生物
目前发现的这类细菌有腐败希 瓦菌(Shewaulella putrefaciens)、 地杆菌(Geobacteraceae），酸梭 菌(Clostridium butyricum)及 (Rhodoferax Ferrireducens)、粪产 碱菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠 球菌(Enterococcusgallinamm)和铜 绿假单胞菌 (PseudomonaSaemginosa)等。
• 其氧化还原式量电位要与被催化体系的 电位匹配；
• 其氧化态不干扰其它的代谢过程； • 其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； • 其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，
并且在细胞和电极表面均不发生吸附； • 其在电极上的氧化还原反应速率非常快、
且有很好的可逆性。
LOGO 微生物燃料电池的分类
无介体微生物燃料电池
标注
必需 必需 必需 非必需 必需 非必需
LOGO 微生物燃料电池的组成
阳极材料
一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨 等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。
LOGO 微生物燃料电池的组成
阳极研究进展
阳 极 产 电 机 制
微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图:A.直接接触;B.纳米导线;C.氧化还原介体;D.还 原态初级代谢产物原位氧化