文档介绍：微生物燃料电池及其应用研究进展
                         詹亚力  张佩佩  闫光绪  王嘉麟  郭绍辉
                 (中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249)
摘要:简单叙述了微生物燃料电池(MFC)的基本结构及运行原理,从MFC的阳极微生物、阴极结构等方面介绍了MFC的发展现状和研究重点,分析了MFC在替代能源、生物传感器和开发新型水处理工艺等方面的应用前景,指出进一步的研究重点应放在改善电极电化学性能、提高电池输出功率密度和降低电池成本等方面。
    关键词:燃料电池;微生物;新能源;生物传感器;水处理
    中图分类号:TM911 45 文献标识码:A 文章编号:0253-4320(2007)01-0013-05
    微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为阳极催化剂,将化学能直接转化成电能的装置。利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解,而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流,从而获得电能。因此,无论是利用MFC输出电能的特点进行新型能源的开发,还是利用MFC电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研究,以及利用MFC的特殊环境对特殊性能的微生物进行驯化,对MFC的研究均具有重要的理论意义和应用价值。本文将从电池基本结构、微生物驯化和应用研究等方面对微生物燃料电池的研究现状和应用前景进行综述及分析。
    1 基本结构和运行原理
    与其他类型燃料电池类似,微生物燃料电池的基本结构为阴极池加阳极池。根据阴极池结构的不同,MFC可分为单池型和双池型2类;根据电池中是否使用质子交换膜又可分为有膜型和无膜型2类。其中单池型MFC由于其阴极氧化剂直接为空气,因而无需盛装溶液的容器[1-3],而无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜[2,4]。
    MFC的阳极材料通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料,其中为提高电极与微生物之间的传递效率,有些材料经过了改性[5]。阴极材料大多使用载铂碳材料,也有使用掺Fe3+的石墨[1]和沉积了氧化锰的多孔石墨[6]作为阴极材料的报道。
   MFC基本工作原理为[7]:①在阳极池,水溶液中或污泥中的营养物在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物,电子通过载体传送到电极表面。随着微生物性质的不同,电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子,也可能是微生物代谢产生的还原性物质,如S2-和H2等[8]。②电子通过外电路到达阴极,质子通过溶液迁移到阴极。③在阴极表面,处于氧化态的物质(如氧气等)与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。
    2 阳极微生物的研究进展
    2 1 微生物的筛选与分类
    自20世纪70年代MFC概念正式提出以来,微生物的筛选一直是MFC的研究重点。目前,已用于MFC的微生物根据其电子传递途径的差异可以分为2类:第1类微生物,如Desulfovibriodesulfuricans、Proteousvulgarish和Escherichiacoli[9]等,代谢产生的电子需要外源中间体的参与才能传递到电极表面;第2类微生物,如Geobacter[10]、Shewa