微生物燃料电池的结构第章学习资料

大家好，大家一想到细菌可能会觉得不舒服，但是随着生物技术的发展表明，这些小家伙对我们是分外友好的，比如我今天展示的主题是关于微生物发电方面，即利用微生物将有机物中的化学燃料能直接转化成电能。

大量研究证明，微生物发电是很有潜力的。

这是我今天展示的四个部分，首先是细菌发电的技术原理，（以电池为例）一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。

其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

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和阳极池。

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,也可分为有膜型和无膜型2 类; 根据电子传递方式的不同，又可分为直接型和间接型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; 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。

直接型MFC 采用的产电细菌具有将氧化产生的电子传递到阳极的能力。

）这张图是传统微生物燃料电池的结构图，这一张图上大家可以看到细菌在这个流程中的作用。

但是细菌并不是只有靠着电极才可以发电，但是科学家发现有些可以产生电流的细胞如地杆菌在细胞外长有长长的、纤细的丝。

试验证明细菌的这些细长的丝是它们纯天然的“电线”，实现细菌远距离发电。

常见产生电流的菌种：希瓦氏菌，铁还原红育菌，硫还原泥土杆菌这种电池的原料广泛，可以是糖类，包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。

细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。

微生物燃料电池知识引入高中化学摘要为配合高中新教材(鲁科版)《化学反应原理(选修)》第一章第三节“化学能转化为电能——电池”中氢氧燃料电池内容的学生阅读材料,介绍微生物燃料电池的基本构造、工作原理及产电机制,旨在帮助学生拓展知识,提高对化学的兴趣。

关键词高中化学新教材微生物燃料电池工作原理产电机制由池构造21世纪初,美国科学家宣布他们发明出了“吃肉机器人”。

这种机器人能吃食物,并通过分解食物把化学能转变成电能,给自己提供动力,其独特功能归功于一个神奇的“胃”,一种特殊的燃料电池——微生物燃料电池。

1 微生物燃料电池的基本构造及工作原理微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化反应将化学能直接转化为电能的装置,其基本构造与普通燃料电池类似,如图1所示。

微生物燃料电池的阳极通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料,阴极则大多使用载铂碳材料。

保持阳极池无氧,阴极池有氧,两池之间的阳离子半透膜使H +自由通过,氧气不能通过。

连接两极的外电路中串联电阻器或其他电子设备[1~3]。

图1 微生物燃料电池构造示意图与传统燃料电池不同的是,微生物燃料电池的阳极反应是靠微生物催化氧化有机物(底物)而产生电子和质子。

电子通过导线传递到阴极,质子通过半透膜渗入阴极池。

阴极池中,氧气、质子、电子反应生成水。

常用葡萄糖作为底物,反应如下[4]:阳极反应:C6H12O6+6H2O→6CO2+24e -+24H +阴极反应:6O2+24e -+24H +→12H2O电池反应:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O2 微生物燃料电池的产电机制微生物燃料电池的产电过程可分解为5个步骤:(1)底物生物氧化:阳极池中,底物在微生物作用下被氧化,产生电子、质子及代谢产物;(2)产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面;(3)电子经外电路传输至阴极;(4)产生的质子穿过半透膜,从阳极池迁移至阴极池,到达阴极表面;(5)阴极池中,电子受体(如氧气等)与迁移来的质子和电子在阴极表面发生还原反应。

微生物燃料電池基本原理微生物燃料電池（microbial fuel cells, MFCs）是藉由微生物的催化反應，將化學能（燃料）轉換為電能的組件（Allen and Bennetto, 1993； Min and Logan, 2004；Lovley et al., 2004）。

典型的微生物燃料電池是由陽極和陰極，以及一片質子交換膜所構成，微生物於陽極分解氧化燃料，並同時產生電子和質子，電子可經由外部電路到達陰極，而質子則通過質子交換膜到陰極，在陰極會消耗電子和質子與氧結合產生水（Kim et al., 2003 ）。

如下圖所示（Scholz and Schronder, 2003），這是以葡萄糖作為燃料，Rhodoferax ferrireducens 做為催化氧化還原反應的微生物，可簡易說明微生物燃料電池的反應。

圖2 微生物燃料電池示意圖附著在電極上的微生物，對燃料電池而言，除了分解槽中的燃料外，傳遞電子到電極表面也為重要的功能之一。

Chaudhuri and Lovley（2003）發現附著在電極纖維上的嗜甜微生物（R. ferrireducens）的生物膜，不僅具有將電極表面作為終端電子接受者的細胞構造，也具有在細胞膜運輸電子與質子的功能，但這些機制的細節仍須加以研究，且細胞的附著性與細胞之間的訊息傳遞情形，對細胞生物學的領域而言，也是個重要但未知的學問（Palmore, 2004）。

微生物燃料電池發展過程1910年，英國植物學家Potter發現，含有代謝作用微生物的燃料電池槽與另一含有無菌鹽類溶液槽之間會有電位差，因此Potter 便在這兩個槽之間加入電阻而獲得電流，由此證明微生物能產生電壓及傳送電流（Potter, 1911）。

1931年，Cohen重複Potter的概念，結果發現批次式的微生物燃料電池可產生超過35 V 的電力（Shukla et al., 2004）。

直到1960年代，生物燃料電池才開始受到歡迎。