文档介绍：电化学论文
天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池
学院化工学院
专业生物工程
年级2015级本科一年级
姓名冯国政
学号指导教师王为
2016年5月14日
天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池
天津大学化工学院电化学前沿课程结课论文——浅谈生物电池
浅谈生物电池
摘要从我们读到的文献上发现目前生物电池按照作用机理可以大致以下两类。一是生物质产氢,然后利用氢能进行发电。二是生物直接在电极将有机物(如糖类)氧化,进行直接发电。按照产电的主体划分又可以分为酶燃料电池和微生物燃料电池。本文将主要讨论生物电池的历史、微生物燃料电池、酶生物燃料电池,还将对生物电池的前景进行展望。
1 生物电池的历史
早在1910年,英国植物学家就将铂作为电极置于大肠杆菌的培养液里,成功地制造出了世界上第一个细菌电池。1984年,美国科学家设计出一种用于太空飞船的细菌电池,其电极的活性物来自宇航员的尿液和活细菌。但当时的细菌电池发电效率较低。到了
20世纪80年代末,细菌发电取得重要进展,英国化学家让细菌在电池组里分解分子以释放电子并向阳极运动产生电能。他们在糖液中添加某些诸如染料之类的芳香族化合物作为稀释液来提高生物系统输送电子的能力,而在细菌发电期间还需朝电池里不断充气并搅拌细菌培养液和氧化物的混和物。理论上,利用这种细菌电池每100g糖可获得1352930库仑的电能,其效率可达40%远高于当时使用的电池的效率,而且还有10%的潜力可挖掘。只要不断地往电池里添入糖就可获得2A电流,且能持续数月之久。利用细菌发电原理,人们正在构想建立细菌发电站。比如,基于10m见方的立方体容器内的细菌培养液,可建立起一个1000kW的细菌发电站,每小时耗糖量为200kg。发电成本虽然高一些,但这是一种对环境无污染的“绿色”电站。且随着技术的发展,完全可用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机物的水解物来代替糖液。因此,细菌发电的前景十分诱人。[1]
2 微生物燃料电池
微生物燃料电池的原理
微生物燃料电池本质上是收获微生物代谢过程中产生的电子并引导电子产生电流的系统。(如图1)微生物燃料电池的功率输出取决于系统传递电子的数量和速率以及阳极与阴极间的电位差。由于微生物燃料电池并非一个热机系统,避免了卡诺循坏的热力学限制,因此,理论上微生物燃料电池是化学能转化为电能最有效的装置,最大效率有可能接近100%。[2]
其基本原理是微生物可以通过各种途径从燃料(葡萄糖、蔗糖、乙酸盐、废水)中获取电子,并将电子从还原性物质(如葡萄糖)转移到氧化性物质(如氧)以获得能量。获得的能量可按下式计算:
?G=-n×F×?E
式中?G——获得的能量
n——电子转移的数量
F——法拉第常数,96485C/mol
1
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?E——电子供体和受体间的电势差。
图1 微生物电池基本原理
以葡萄糖作为燃料电池的燃料,阴阳两极的电化学反应式如下:
阳极:C6H12O6+6H2O→24H++24e-+6CO2 ①
阴极:6O2+24e-→12H2O ②
如式①、式②所示,在阳极室中,微生物通过呼吸作用催化底物脱氢,产生电子,此时