微生物燃料电池研究中有哪些问题尚未解决

微生物燃料电池研究中有哪些问题尚未解决

主要问题是成本和功率密度。

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
图1是典型的双室结构MFcs工作原理示意图，系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成。阳极室中的产电菌催化氧化有机物，使其直接生成质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面。根据微生物的性质，电子传送的载体可以为外源、与呼吸链有关的NADH和色素分子以及微生物代谢的还原性物质。阳极产生的H+透过质子交换膜扩散到阴极，而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极．电子在流过外电阻时输出电能。电子在阴极催化剂作用下。与阴极室中的电子接受体结合，并发生还原反应。

图1 微生物燃料电池工作原理示意图
下面以典型的葡萄糖为底物的反应为例说明MFCs的工作原理，反应中氧气为电子受体，反应完成后葡萄糖完全被氧化。
阳极反应：
?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622
阴极反应：
?_6O2?24H?24e?12H2O
总反应：
C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料电池的应用现状
迄今为止，MFCs的性能远低于理想状态。制约MFCs性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等。动力学制约的主要表现为活化电势较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率。内电阻具有提高电池的输出功率的作用，主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻。不用质子交换膜也可以大大降低MFCs的内阻，这时得到的最大功率密度有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题。另一个重要制约因素为电子传递过程中的反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率。最终电子受体采用铁氰酸盐或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。另外，微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长率、生物量负荷、反应器搅拌情况、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响。
当前针对微生物燃料电池主要研究其产电性能，同时由于其特殊的结构与原理，MFCs还有许多潜在应用领域，主要包括废水处理、电助产氢、传感器三方面。
3.1 废水处理
近年来，微生物燃料电池被尝试用来处理富含生物可降解有机物的废水，在废水降解的同时产电。表3.1列举了目前MFCs用于废水处理的现状。

微生物燃料电池用于污水处理的例子

此外，微生物燃料电池处理废水具有诸多优点，还可与传统厌氧、好氧工艺相结合，达到更好的处理效果。

3.2 电助产氢
微生物燃料电池由于输出效率低，难以直接应用，而MFC电助产氢技术是较有前途的一种方式。其工作原理为：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用MFC系统产氢的目的。
微生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体——氢气，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了MFC技术的实际应用。
3.3 生物传感器
根据MFCs的工作原理，在一定浓度范围内，MFCs的电流(或电压)输出与阳极的基质浓度有线性关系，因此可开发基于MFCs的传感器，最典型的是BOD5快速检测。Lorenzo等以人工废水为燃料构建型BOD5传感器，该传感器输出功率与BOD5浓度有良好的线性关系，且有非常高的重复性和稳定性，可连续运行7个月。
除了作为BOD5传感器外，有研究者尝试利用MFC型的传感器通过对UAFB中发
酵液pH和沼气流速进行实时监测，实现对厌氧硝化过程动态变化的监测。还有研究者通过在MFCs的质子交换膜两侧添加2片微硅板作电流收集器，由电流变化来反映基质中的有毒化合物。这些研究都有助于扩大MFCs技术的应用领域。
4 微生物燃料电池技术发展前景
MFCs技术正在不断成长并且已经在许多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，该技术还没有实现真正的大规模实际应用。基于其产电性能的制约因素，今后的研究方向主要可归纳为以下几点。
(1)深入研究并完善MFCs的产电理论。MFCs产电理论研究处于起步阶段，电池输出功率较低，严重制约了MFCs的实际应用。MFCs中产电微生物的生长代谢过程，产电呼吸代谢过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后的研究重点。
(2)筛选与培育高活性微生物。目前大多数微生物燃料电池所用微生物品种单一。要达到实际应用的目的，需要寻找自身可产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子传递化合物质的微生物。今后的研究应致力于发现和选择这种高活性微生。
(3)优化反应器的结构；5建议；微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分；(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物；(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，；MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起；力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多；7参考文献；[1]姜秀华.微生物电池技术研究[D].科技资讯；[2]张静，张宝

(3)优化反应器的结构。研究与开发单室结构和多级串联微生物燃料电池，利用微生物固定化技术、贵金属修饰技术等改善电极的结构和性能。选择吸附性能好、导电性好的材料作为阳极，选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料作为阴极。

5 建议
微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分看好，但由于输出功率较低，限制了在生产生活中的应用。因此，建议研究者主要从以下三方面对MFCs做进一步研究：
(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物确定电子产生和传递机理，实现对高效产电微生物的筛选和改造。
(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，提高电子传质速率，降低电压损失，提高MFCs产电性能。尝试MFCs的工程放大，实现实际应用。 6 结语
MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起，并已逐步显现出它独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步，MFCs必将得到不断地推广和应用。与微生物燃料电池相比，燃料电池目前使用存在着成本仍偏高, 利用率不太高的缺点，所以微生物电池有着广阔的应用前景。与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜
力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。研究微生物电池是一件造福人类的伟大举措，我们应该投入更多的人力和物力。