微生物燃料电池

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先简要介绍了MFCs 的发展简史和基本原理,针对MFCs 产电性能低的现状,分别从产电微生物、电池结构、质子交换膜(PEM)、电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高MFCs 产电性能的研究进展。最后介绍了关于MFCs 的另一些有趣的研究方向：植物MFCs,生物阴极MFCs,以及污水脱氮和有毒废水处理。     

微生物燃料电池

结合最近几年来微生物燃料电池研究进展情况,对微生物燃料电池的电子转移机理,影响电子转移的主要因素和解决方法,以及微生物燃料电池实用化过程中所面临的问题和应用前景进行了综述。     

葡萄糖乙酸钠不同基质微生物燃料电池电化学性能对比研究

本文通过接种生活污水处理厂的好氧污泥和厌氧污泥,撘建两个双室微生物燃料电池(MFC,Microbial fuel cell),分别以葡萄糖、乙酸钠作为基质,在0.0335 mol•L^-1基质浓度下研究不同基质微生物燃料电池的产电性能. 研究表明：葡萄糖体系的阳极半电池阻抗为222 Ω,乙酸钠体系为213.67 Ω,说明两种不同有机基质对电池内阻无明显影响. 葡萄糖、乙酸钠体系的交换电流密度i⁰分别为3.463 mA•m^-2、 5.987mA•m^-2;COD去除率分别为50.6%、55.8%;库仑效率分别为42.1%、46.2%. 葡萄糖为基质时最大输出功率密度为394.2 mW•m^-2,相应的最大电流密度为1800mA•m^-2;乙酸钠为基质时最大输出功率密度为311.9mW•m^-2,相应的最大电流密度为1527.5mA•m^-2. 葡萄糖代谢过程复杂并不单一,且代谢不彻底,乙酸钠分子简单更容易代谢,因此乙酸钠的库伦效率及COD去除率均高于葡萄糖,由以上数据可以得出葡萄糖为基质的燃料电池产电性能较好.     

微生物燃料电池电极材料研究进展

微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能,可用于废水处理并产生电能,是一种极具应用前景的生物电化学技术. 本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备、功能修饰及表面构建等的研究进展,着重介绍了炭基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响,并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题,以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用.     

微生物燃料电池的产电机制

微生物燃料电池(MFC)利用微生物作催化剂直接从可降解有机物中提取电能,它具有废弃物处置与产电双重功效,是未来理想的产电方式和有机废弃物资源化处置工艺.当前MFC技术的主要限制因素是电池输出功率低.MFC产电机制的研究是深入掌握电池工作状态、改善电池构造、优化电极材料从而提高输出功率的理论基础.本文将MFC产电机制分为5个步骤,即底物生物氧化、阳极还原、外电路电子传输、质子迁移、阴极反应,对其进行了详细评述,并提出了产电机制的发展趋势与今后的研究思路.     

高锰酸钾作阴极的微生物燃料电池

构建了一个以醋酸钠水溶液为阳极原料、高锰酸钾为阴极氧化剂的双室微生物燃料电池, 考察了阴极溶液浓度、阴极流动状态、外电阻和pH值等因素对电池性能的影响, 监测了电池外电压和两极电极电势的变化过程, 并分析了阴极极化的原因和限制微生物燃料电池(MFC)的关键因素. 研究结果显示: (1) MnO2在碳纸表面的沉积是阴极极化的主要原因, 而溶液流动可以明显降低极化程度; 将高锰酸钾溶解在缓冲溶液中可以进一步降低阴极H+浓差极化; (2) 根据极化曲线可以推断, 影响电池输出功率的决定性因素应是微生物代谢反应速度和微生物与电极之间的电子传递速率; (3) 随外电阻的变化, 电池输出功率出现极大值824 mW/m2, 相应外电阻为300 Ω左右, 这与通过I-V关系曲线推导得到的电池内阻(284±18) Ω相吻合; (4) pH值和高锰酸钾浓度对电池阴极电极电势的影响符合Nernst方程.     

微生物燃料电池生物阴极

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)利用微生物处理废水的同时产电,是一种清洁可再生能源技术。近年来新兴起的生物阴极是指阴极室中的功能微生物附着在电极表面形成生物膜,电子由电极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应;是微生物燃料电池研究的一个重要方向。本文根据厌氧、好氧操作体系的不同将生物阴极进行分类;归纳总结了微生物组成、电极和分隔材料的研究进展,探讨了生物阴极在去除污染物和生成高附加值产品中的实际应用,并提出了其将来发展的可能方向。     

微生物燃料电池阴极脱氮

微生物燃料电池(MFC)阴极电子受体的多样性可实现其阴极脱氮,从而将产生的电能合理利用,因此阴极脱氮成为了MFC的一个研究方向,同时也为实际废水中氮素的去除提供了新的可能。然而在反应过程中有众多因素会导致NOx-N与其他电子受体竞争阳极电子的现象,影响阴极反硝化过程对于电子的利用率,从而造成脱氮效率低等现实问题。目前已有许多研究通过优化MFC自身结构弥补产电的缺陷,及将与其他工艺系统耦合实现同步硝化反硝化等方法,取长补短以增加脱氮效率,降低对碳源的需求,以此解决微生物燃料电池阴极脱氮出现的问题。本文从MFC不同的脱氮历程、MFC工艺条件(pH、C/N、DO)、极室分隔材料等影响MFC阴极脱氮的因素及影响其阴极反硝化微生物群落构成等方面,进行了综述并预测未来研究方向。     

生物阴极微生物燃料电池

传统微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)主要由生物阳极与非生物阴极组成,属于半生物燃料电池,存在化学药剂再生困难、需要铂等贵金属催化及成本高等缺陷。生物阴极则利用微生物参与阴极反应克服了这些缺陷。微生物参与MFCs阴极反应,最初在海底沉积物MFCs中被发现。为了提高空气-生物阴极的产电效率,人们进行了以铁、锰等过渡金属氧化物修饰电极材料的研究。在厌/缺氧环境中,生物阴极可将硝酸盐和硫酸盐等作为最终电子受体。对生物阴极研究的深入为MFCs工业化应用开辟了道路,此外,本文在文献综述的基础上提出了铁锰联合修饰生物阴极材料的可能性。     

不锈钢网阴极微生物燃料电池的产电性能研究

构建了一个以曝气池污泥为阳极接种微生物、碳毡为阳极、无任何修饰的不锈钢网为阴极的双室微生物燃料电池. 通过输出电压、功率密度以及电化学阻抗等考察了阴极面积对电池产电性能的影响,并对电池的长期运行稳定性进行评价. 研究结果表明,不锈钢网作为微生物燃料电池的阴极性能稳定. 当不锈钢网面积为2 × 2 cm²时,最大输出电压达到0.411 V,功率密度为0.303 W•m^-2,内阻841 Ω,极化内阻80 Ω. 增大阴极面积至2 × 4 cm²,最大输出电压能达到0.499 V,内阻减小至793 Ω. 不锈钢网价格便宜,具有长期运行稳定性,适宜做MFCs的阴极.     

Use of Pineapple Waste as Fuel in Microbial Fuel Cell for the Generation of Bioelectricity

The excessive use of fossil sources for the generation of electrical energy and the increase in different organic wastes have caused great damage to the environment; these problems have promoted new ways of generating electricity in an eco-friendly manner using organic waste. In this sense, this research uses single-chamber microbial fuel cells with zinc and copper as electrodes and pineapple waste as fuel (substrate). Current and voltage peaks of 4.95667 ± 0.54775 mA and 0.99 ± 0.03 V were generated on days 16 and 20, respectively, with the substrate operating at an acid pH of 5.21 ± 0.18 and an electrical conductivity of 145.16 ± 9.86 mS/cm at two degrees Brix. Thus, it was also found that the internal resistance of the cells was 865.845 ± 4.726 Ω, and a maximum power density of 513.99 ± 6.54 mW/m² was generated at a current density of 6.123 A/m², and the final FTIR spectrum showed a clear decrease in the initial transmittance peaks. Finally, from the biofilm formed on the anodic electrode, it was possible to molecularly identify the yeast Wickerhamomyces anomalus with 99.82% accuracy. In this way, this research provides a method that companies exporting and importing this fruit may use to generate electrical energy from its waste.     

双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池

构建了双极室连续流联合处理废水的微生物燃料电池(MFC), 该MFC阳极室的出水直接用于阴极室的进水, 利用阴极室的好氧微生物进一步降解有机物. 以啤酒废水作底物, 研究了该MFC的产电性能和废水处理效果. 结果表明, 采用双极室连续流MFC可以大大提高废水的处理效果, 对啤酒废水化学需氧量(COD)的总去除率可达92.2%~95.1%, 其中阳极室中COD去除率为47.6%~56.5%. MFC的开路电压为0.451 V, 最大输出功率为2.89 W/m³. 实验中抑制MFC性能的主要因素是阴极的极化损失, 通过降低进入阴极室溶液的COD浓度、采用优质的阴极材料和加大阴极室内的曝气量等方法进一步优化电池的性能.     

以新亚甲基蓝为电子媒介体的大肠杆菌微生物燃料电池的研究

以新亚甲基蓝(NMB) 为电子媒介体, 大肠杆菌为微生物催化剂, 设计了微生物燃料电池(MFC). 该MFC的开路电压为0.760 V, 短路电流为1.108 mA, 最大输出功率为116 mW/m2, 此时所对应的电流密度为390 mA/m2. 比较了中性红(NR)和NMB作为电子媒介体对MFC性能的影响. 实验结果表明, 以NMB为电子媒介体的MFC的开路电压比以NR为电子媒介体的MFC的开路电压低, 但其开路电压达到稳定所需要的时间更短, 而且其短路电流比后者高. 当放电电流大于114 mA/m2时, 前者比后者的输出功率高, 在负载1000 Ω放电时, 前者比后者有更好的稳定性.     

氧化还原导电水凝胶制备及其在微生物燃料电池的应用

微生物细胞与微生物燃料电池阳极之间的电子传递效率是影响产电性能的关键因素.借助阳极修饰可以促进电子转移速率,提高电池的性能.本文合成了一种以聚4-乙烯基吡啶为骨架,中性红单体为氧化还原活性中心、具有良好导电性和生物兼容性的氧化还原水凝胶材料.其中通过共价键合固定氧化还原中介体,避免了对外界环境的二次污染.以该材料修饰碳纸作为阳极组装电池,实验表明经过修饰的生物阳极驯化周期缩短,阳极电势更接近NADH/NAD的平衡电位.该电池的功率密度较未修饰的电极的电池有明显的提高.     

Electrochemically Prepared Manganese Oxide as a Cathode Material for a Microbial Fuel Cell

This work describes the construction of a mediatorless microbial fuel cell (MFC) using the microorganism Acetobacter aceti as the biocatalyst in the anode compartment with glucose as a fuel. The periplasmic membrane bound pyrroloquinoline quinone (PQQ) containing enzymes of these genera provide fast and highly efficient oxidation of a wide variety of substrates and helps in the direct routing of electrons to the anode. We describe our preliminary findings with regard to the use of electrochemically deposited manganese oxide films on carbon substrates as cathode materials in MFCs. Manganese oxide was electrochemically deposited on carbon paper in the presence and in the absence of the surfactant, sodium lauryl sulfate (SLS). Electrochemical characterizations of the electrodeposited films are carried out by cyclic voltammetry and impedance spectroscopy. Structural characterization of the film is carried out by XRD, XPS, and SEM. The XPS studies reveal that the presence of Mn⁴⁺ (as MnO₂) in the absence of SLS and Mn^3+/2+ (as Mn₃O₄or Mn₂O₃ or MnOOH) ion in the presence of SLS. The power output obtained from MnO₂ cathode was 666 ± 9 mW m^?3 and it is the highest value reported for MFCs with cubical configuration with the same cathode.     

纳米Fe3O4含量对微生物燃料电池性能的影响

以不锈钢网为集流体,采用辊压工艺制备了Fe3O4质量分数分别为0%、2.5%、5.0%和7.5%的不锈钢网、活性炭粉和Fe3O4构成的复合阳极AcM、AcFeM1、AcFeM2和AcFeM3,研究了Fe3O4含量对单室无膜空气阴极微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响,并通过塔菲尔曲线和阳极充电-放电测试研究了不同Fe3O4含量的阳极的电化学行为。结果表明,阳极Fe3O4质量分数由0%增加至2.5%、5.0%时,MFCs的最大输出功率和净电容电荷由AcM阳极的664 mW/m2和293.9 C分别上升至AcFeM1、AcFeM2电极的731 mW/m2和300.4 C、809 mW/m2和388.5 C,当Fe3O4含量继续增加至7.5%时,MFCs的产电效率和净电容电荷均减小,Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs性能最佳;电化学测试进一步说明Fe3O4质量分数在5.0%时,MFCs阳极的动力学活性最好。     

微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展

在微生物燃料电池（MFC）中,以氧为电子受体具有很多优点,但氧阴极还原的反应动力学慢,会造成阴极电势的损失。 因此,提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。 本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。 重点讨论了贵金属Pt、过渡金属大环化合物以及金属氧化物催化剂对氧还原的电催化活性。 其中,非贵金属氧化物及过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能,而且价格低廉,有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。