漫談生物燃料電池

文章編號(hào)：1005－6629(2007)09－0048－03中圖分類號(hào)：TM911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

電池在我們的生活中發(fā)揮著非常重要的作用，但在使用過(guò)程中卻帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。一節(jié)一號(hào)電池腐爛在地里，能使一平方米土壤永久失去利用價(jià)值；一粒紐扣電池可使600噸水受到污染，相當(dāng)于一個(gè)人一生的飲水量。嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)迫使我們尋找電池發(fā)展的新出路，生物燃料電池的問(wèn)世讓我們看到了曙光。本文初步介紹了生物燃料電池的基本情況，以期能開闊視野，對(duì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)有所裨益。

1穿越歷史，生物燃料電池向我們走來(lái)

早在19世紀(jì)初，英國(guó)化學(xué)家戴維就提出了燃料電池的設(shè)想，1839年英國(guó)人格拉夫發(fā)明了最早的氫燃料電池[1]。可以說(shuō)發(fā)展到今天，氫燃料電池已成為了最成熟的燃料電池，但在氫氣的制備、輸送、電池的能量轉(zhuǎn)化率、使用安全性等方面存在許多問(wèn)題，陷入了尷尬的發(fā)展處境[2]。生物燃料電池的出現(xiàn)又讓我們充滿了新的期待。

生物燃料電池的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)初，1910年英國(guó)杜漢姆大學(xué)植物學(xué)教授Michael Cresse Potter用酵母和大腸桿菌進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了微生物也可以產(chǎn)生電流，從而拉開了生物燃料電池研究的序幕。六十年代，為了將長(zhǎng)途太空飛行中的有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化成電能，美國(guó)航空航天管理局投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究，真正掀起了生物燃料電池研究的高潮。后來(lái)盡管由于技術(shù)原因，生物燃料電池曾一度陷入停滯狀態(tài)，但七、八十年代出現(xiàn)的石油危機(jī)又讓電池家族的新成員成為人們矚目的中心，自此之后迎來(lái)了更加廣闊的發(fā)展前景[3]。

簡(jiǎn)言之，生物燃料電池就是以微生物、酶為催化劑，將有機(jī)物（如糖類等）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種電化學(xué)裝置。根據(jù)電池中使用的催化劑種類，可將生物燃料電池分為微生物燃料電池和酶燃料電池兩種類型。

2兩種典型的生物燃料電池

2.1 微生物燃料電池

典型的微生物燃料電池如上圖所示，它由陽(yáng)極室和陰極室組成，質(zhì)子交換膜將兩室分隔開。它的基本工作原理可分為四步來(lái)描述:(1)在微生物的作用下，燃料發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)釋放出電子;(2)介體捕獲電子并將其運(yùn)送至陽(yáng)極;(3)電子經(jīng)外電路抵達(dá)陰極，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜由陽(yáng)極室進(jìn)入陰極室;(4)氧氣在陰極接收電子，發(fā)生還原反應(yīng)。我們以葡萄糖為例來(lái)具體地說(shuō)明這個(gè)過(guò)程[1]：

陽(yáng)極半反應(yīng)：

C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e-E0=0.014V

氧化態(tài)介體 + e-→還原態(tài)介體

陰極半反應(yīng):

6O2+24H++24e-→12H2O E0=1.23V

2.2 酶燃料電池

如下圖，葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和輔酶的作用下失去電子被氧化成葡萄糖酸，電子由介體運(yùn)送至陽(yáng)極，再經(jīng)外電路到陰極。雙氧水得到電子，并在微過(guò)氧化酶的作用下還原成水。

陽(yáng)極半反應(yīng)：葡萄糖→葡萄糖酸＋2H++2e

陰極半反應(yīng)：H2O2+2H++2e→2H2O[3]

2.3生物燃料電池中的介體及其作用

2.3.1介體的作用

在生物電池的設(shè)計(jì)中一個(gè)最大的技術(shù)瓶頸就是如何有效地將電子從底物運(yùn)送至電池的陽(yáng)極。科學(xué)家設(shè)想在陽(yáng)極室加入一種或幾種化學(xué)物質(zhì)，作為運(yùn)輸電子的介體。介體的作用如圖3所示。

2.3.2 介體需滿足的條件[1][3]

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)充當(dāng)介體的分子必須具備嚴(yán)格的條件：①介體的氧化還原電極電勢(shì)應(yīng)與代謝物的電勢(shì)相一致；②介體的氧化態(tài)和還原態(tài)都應(yīng)易溶于電解質(zhì)溶液；③在溶液中有足夠的穩(wěn)定性且不能吸附在細(xì)菌細(xì)胞或電極的表面；④介體的電極反應(yīng)快；⑤微生物燃料電池中的介體應(yīng)易于穿透細(xì)胞膜且對(duì)微生物無(wú)毒害作用；⑥微生物燃料電池中的介體在得到電子后應(yīng)易于從細(xì)胞膜中出來(lái)；⑦介體的任一種氧化態(tài)都不會(huì)對(duì)微生物的代謝過(guò)程造成干擾。

生物燃料電池中常用的介體有硫堇、EDTA-Fe(Ⅲ)、亞甲基藍(lán)、中性紅等。

3 生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的化學(xué)電池技術(shù)相比，生物燃料電池具有操作上和功能上的優(yōu)勢(shì)（表1）。首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率。其次，不同于現(xiàn)有的生物能處理，生物燃料電池能在常溫、常壓甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運(yùn)作，電池維護(hù)成本低、安全性強(qiáng)。第三，生物燃料電池不需要進(jìn)行廢氣處理，因?yàn)樗a(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，不會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的副產(chǎn)物。第四，生物燃料電池具有生物相容性，利用人體內(nèi)的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體。第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，生物燃料電池具有廣泛應(yīng)用的潛力。

表1化學(xué)燃料電池與生物燃料電池比較[3]

4生物燃料電池的用途[1][5]

4.1改善汽車的燃料結(jié)構(gòu)

使用生物燃料電池，1L糖類物質(zhì)的濃溶液氧化產(chǎn)生的電能可供一輛中型汽車行駛25-30 Km，如果汽車的油箱為50L的話，裝滿糖后可連續(xù)行駛1000Km而不需要再補(bǔ)充能源。使用生物燃料電池，一方面可控制因化石燃料燃燒導(dǎo)致的空氣污染問(wèn)題，另一方面還可避免因發(fā)生交通事故而引發(fā)的汽油起火燃燒甚至是爆炸。

4.2污水處理

2005年，由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家洛根率領(lǐng)的一個(gè)研發(fā)小組宣布，他們研制出一種新型的微生物燃料電池，可以把未經(jīng)處理的污水轉(zhuǎn)變成干凈用水和電能。

4.3為可植入人體內(nèi)的設(shè)備提供能量支持

2005年日本東北大學(xué)教授西澤松彥領(lǐng)導(dǎo)的研究小組新開發(fā)出了一種利用血液中的糖分發(fā)電的燃料電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內(nèi)的測(cè)定血糖值的裝置提供充足電量、為心臟起搏器提供能量。

4.4 在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的作用

2001年英國(guó)西英格蘭大學(xué)的科學(xué)家們研制出了一種名為“Slugbot”的機(jī)器人（如圖5），專門用于搜捕危害種植業(yè)的鼻涕蟲。“Slugbot”將抓獲的鼻涕蟲放在一容器里，在酶的作用下將其轉(zhuǎn)化成電能。

2000年美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)科學(xué)家斯圖亞特.威爾金森（Stuart Wilkinson）宣稱，他們已經(jīng)研制出了一種需要吃肉以給體內(nèi)補(bǔ)充電能的機(jī)器人Chew Chew。 這種機(jī)器人體內(nèi)裝有一塊微生物燃料電池，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和工作提供動(dòng)力。這種微生物燃料電池可以通過(guò)細(xì)菌產(chǎn)生酶，消化肉類食物，然后把獲取的能量再轉(zhuǎn)化為電能，供給機(jī)器人使用。

4.5在航空航天上的使用

為處理密閉的宇宙飛船里宇航員排出的尿液，美國(guó)宇航局設(shè)計(jì)了一種巧妙的方案：用微生物中的芽孢桿菌來(lái)處理尿液，產(chǎn)生氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質(zhì)，這樣既處理了尿液，又得到了電能。一般在宇航條件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦電力。

5 生物燃料電池發(fā)展展望

在化石燃料日趨緊張、環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，生物燃料電池以其良好的性能向我們展示了一個(gè)美好的發(fā)展前景。但不可否認(rèn)的是，由于技術(shù)條件的制約，目前生物燃料電池的研究和使用還處于不成熟階段：電池的輸出功率小、使用壽命短。例如美國(guó)得克薩斯大學(xué)亞當(dāng)·海勒博士研制的葡萄生物電池能提供的功率僅為2.4微瓦，這說(shuō)明要點(diǎn)燃一個(gè)小燈泡需要100萬(wàn)株葡萄，并且產(chǎn)電能每天都在衰減。由此導(dǎo)致生物燃料電池的使用范圍非常狹小，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到全面推廣的時(shí)期。研究人員正在積極研究，努力克服這一瓶頸。

5.1開發(fā)無(wú)介體生物燃料電池[5]

有一類鐵還原性微生物，由于其細(xì)胞膜上有豐富的細(xì)胞色素，表現(xiàn)出較強(qiáng)的電化學(xué)活性，在生物電池中能直接將電子轉(zhuǎn)移至陽(yáng)極而不需要借助任何介體。研究表明Rhodoferax ferrireduler和Geobacteraceae種群的微生物都具有這種功能，它們?cè)陔姵貎?nèi)發(fā)生的反應(yīng)可表示為：

C6H12O6+6H2O+24Fe(Ⅲ) →6CO2+24Fe(Ⅱ)+24H+

+24e-。

無(wú)介體生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為有充足的空間，有利于提高電子轉(zhuǎn)移的效率和速率。

5.2加強(qiáng)對(duì)電極的修飾[4]

學(xué)者Derek R. Lovley等用石墨氈和石墨泡沫代替碳棒作為電池的陽(yáng)極，研究發(fā)現(xiàn)電池的電能輸出大大增加，約為原來(lái)的三倍。說(shuō)明增大電極的表面積可以增大吸附在電極表面的微生物和酶的密度，從而增加電量的輸出。

Zhen He等在微生物燃料電池中用微生物來(lái)修飾陰極，加快了氧氣的還原反應(yīng)速率，極大地提高了電池輸出的電流密度。

5.3 選擇合適的質(zhì)子交換膜[4][6]

質(zhì)子交換膜能有效地維持電池兩極室內(nèi)酸堿度的平衡，保證電池反應(yīng)的正常進(jìn)行。Liu和Logan在電池的設(shè)計(jì)中取消了質(zhì)子交換膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池的庫(kù)侖輸出效率由55%降到了12%；Min et al.研究發(fā)現(xiàn)如果氧氣由陰極室進(jìn)入陽(yáng)極室，電池的庫(kù)侖輸出效率會(huì)從55%降至19%。這說(shuō)明質(zhì)子交換膜的質(zhì)量好壞關(guān)系到生物燃料電池的性能，選擇合適的質(zhì)子交換膜，增強(qiáng)質(zhì)子的穿透性而降低氧氣的擴(kuò)散成為了生物燃料電池開發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

5.4 開發(fā)光化學(xué)生物燃料電池[5]

利用光合細(xì)菌或藻類吸收太陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)化成電能的裝置稱為光化學(xué)生物燃料電池。科學(xué)家曾設(shè)計(jì)出這樣的一種電池：用石墨作陽(yáng)極，陽(yáng)極室內(nèi)有項(xiàng)圈藻和可溶性奎寧介體；陰極也為石墨電極，電解質(zhì)溶液為鐵氰化鉀。把這種電池先放在陽(yáng)光下光照10小時(shí)，然后在黑暗的環(huán)境中放置10小時(shí)，發(fā)現(xiàn)可產(chǎn)生1mA的電流（外電路電阻為500歐），只不過(guò)光子轉(zhuǎn)化成電子的效率只有0.2%。后來(lái)人們又用Synechococcus細(xì)菌來(lái)代替項(xiàng)圈藻，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率可提高到3.3%。

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致謝：本文在寫作過(guò)程中，得到化學(xué)系樂(lè)翠娣老師的指導(dǎo)和幫助，謹(jǐn)致以誠(chéng)摯的謝意!

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