微生物燃料電池的研究及應用

鐘思聰 陳婷婷

【摘要】本文在此通過對微生物燃料電池的研究，論述了它的應用。

【關鍵詞】微生物燃料電池，研究，應用

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質子結合成水。

一、作用原理

參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種：（1） 微生物將氧化還原反應產生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體，介體再將電子傳遞給電極；（2）介體能進入到微生物體內，參加反應被還原，從微生物體內出來后再將電子傳遞給電極；（3） 微生物吸附在電極表面，它將反應產生的電子傳遞給在細胞表面的介體，再通過介體傳遞給電極。

二、研究目的和意義

目前，我國工業化進程發展迅速。在工業化快速推進過程中，對能源的需求和依賴日益增長。然而，目前支撐著工業和經濟發展的化石燃料已經難以為繼。因此，發展新能源和可再生能源，減少對國際石油市場的依賴，已經成為我國重要的戰略性布局。微生物電池不僅用于產生清潔能源，還能凈化污水。污水處理費時費錢還消耗大量能量，基本是個只投入不產出的行業，也是讓各國政府頭疼的一大難題。因此，又能凈化水質，又能發電的微生物燃料電池一旦出現，將有望把污水處理變成一個有利可圖的產業。微生物燃料電池（Microbial fuel cell， MFC）是一種以產電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發領域具有廣闊的應用前景。雖然目前已發現很多產電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產電。理論上，堿性條件可以抑制甲烷的產生從而有利于電能輸出，而且堿性廢水是工業廢水的重要組成部分。產電微生物如何將有機物代謝產生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個重要方向，因此，研究堿性條件下的微生物產電機制對MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國科學院成都生物研究所應用與環境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產電機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環境中分離出一株嗜堿性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在堿性條件下能夠分解有機物的同時產生電能，最佳pH為9.5。通過研究發現，該菌株在MFC體系中代謝有機物的同時產生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），該介體起電子穿梭的作用從而實現電子從有機物到電極的傳遞過程。

三、研究內容與方法：

1、微生物燃料電池的菌種群落的培養

產電細菌是微生物燃料電池的核心構件。產電細菌的電化學活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對于微生物燃料電池中的微生物， 不論是自身具有電化學活性，還是進行種間電子傳遞，對于它們構成的生物群落的研究剛剛開始。本項目將依托舟山地區得天獨厚的自然地理環境和豐富的微生物群落，通過對海底沉積物的選取和以及細菌培養，以期能夠發現新型產電細菌，提高海底微生物燃料電池的功率密度， 并研究其產電機理。

2、海洋沉積物微生物燃料電池系統的設計和優化

微生物燃料電池系統主要包括三個要素：陽極，陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環境中，海水中含有高濃度的鹽分，工作環境惡劣，這將對海洋沉積物燃料電池的構件提出了更高的要求。另外，微生物燃料電池的造價也會直接影響微生物燃料電池的實用化進程。在微生物燃料電池的使用中，一般使用氧氣做電子受體，碳擔載的貴金屬納米粒子（Pt）作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽極和陰極隔開。貴金屬催化劑的使用，提高了微生物燃料電池的成本，并且，海水中的氯離子會對Pt催化劑產生毒化作用，這將會造成微生物燃料電池的效率損失。因此，本項目將設計一種新型的微生物燃料電池系統，采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物，利用水離解產生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質，隔絕海水中氯離子對陰極催化劑的毒化作用這是本項目的技術關鍵。

四、研究目標與結果

第一部分為對原有燃料電池的改造：本實驗室原有燃料電池反應器多個，但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細菌，需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長的密閉培養室。

第二部分為培育和優化產電菌種群落：本項目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物，在燃料電池細菌培養室內培養，啟動并測試微生物燃料電池的功率密度，以期能夠得到高功率，非硫還原的產電菌種。

第三部分為陰極催化劑研究：本項目將采用過渡金屬碳化物為研究目標，制備出高催化活性的陰極催化劑。理論計算表明，過渡金屬表面與氧結合能過大，使得由氧分子還原得到的氧原子脫附需要克服大的能量勢壘，造成了氧還原過程中的極化損失，是過渡金屬不能作為氧還原催化劑的關鍵。過渡金屬中加入碳化物能夠使得過渡金屬的d電子帶中心上移，降低氧與過渡金屬表面的結合能，促進氧還原反應的加速進行。本項目使用過渡金屬（Ni W等）鹽與乙醇反應，生成有機過渡金屬化合物膠體，然后加入尿素作為還原劑，在高溫下反應生成過渡金屬碳化物納米粒子，作為微生物燃料電池陰極催化劑。

第四部分為海洋實際環境下微生物燃料電池系統設計和測試：本項目將實驗二所優化的產電菌種接種至沉積物燃料電池陽極，然后將陽極放入至指定海底沉積物中。海洋沉積物微生物燃料電池陰極反應室將采用雙極膜與海水隔開，陰極反應室內為酸性電解液。活化之后測試海洋實際環境下微生物燃料電池系統的功率、穩定性以及其它性能。