微生物燃料电池

微生物燃料电池(MFC)是一种生物电化学燃料电池系统，它通过将阳极上的还原化合物（也称为燃料或电子供体）的微生物氧化产生的电子转移到氧化化合物如氧气（也称为作为氧化剂或电子受体）通过外部电路在阴极上。MFC可以分为两大类：介导的和非介导的。xxx个MFC在20世纪初得到证明，它使用了一种介质：一种将电子从细胞中的细菌转移到阳极的化学物质。1970年代出现了无中介的MFC；在这种类型的MFC中，细菌通常在其外膜上具有电化学活性的氧化还原蛋白，例如可以将电子直接转移到阳极的细胞色素。在21世纪，MFC已开始在废水处理中找到商业用途。

使用微生物发电的想法是在20世纪初构思的。迈克尔·克雷塞·波特于1911年发起了这一课题。波特设法从酿酒酵母中发电，但这项工作很少得到报道。1931年，BarnettCohen创造了微生物半燃料电池，当串联连接时，能够产生超过35伏的电压，电流仅为2毫安。DelDuca等人的一项研究。使用丁酸梭菌发酵葡萄糖产生的氢气作为氢气和空气燃料电池阳极的反应物。尽管该电池起作用，但由于微生物产生氢气的不稳定性质，它并不可靠。铃木等人解决了这个问题。1976年，他在一年后制作了成功的MFC设计。在1970年代后期，人们对微生物燃料电池的功能知之甚少。这一概念由RobinM.Allen和后来的H.PeterBennetto研究。人们将燃料电池视为发展中国家发电的一种可能方法。Bennetto的工作始于1980年代初期，帮助建立了对燃料电池如何运作的理解，他被许多人视为该主题的首要权威。2007年5月，澳大利亚昆士兰大学与Foster'sBrewing合作完成了MFC原型。该原型为10L设计，可将啤酒厂废水转化为二氧化碳、清洁水和电力。该小组计划为即将举行的国际生物能源会议创建一个试点模型。

微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物的作用将化学能转化为电能的装置。这些电化学电池使用生物阳极和/或生物阴极构建。大多数MFC包含一个膜来分隔阳极（发生氧化的地方）和阴极（发生还原的地方）的隔室。氧化过程中产生的电子直接转移到电极或氧化还原介体物质。电子通量被移动到阴极。系统的电荷平衡通过细胞内的离子运动来维持，通常穿过离子膜。大多数MFC使用有机电子供体，该电子供体被氧化产生CO2、质子和电子。已经报道了其他电子供体，例如硫化合物或氢。阴极反应使用多种电子受体，最常见的是氧气(O2)。研究的其他电子受体包括通过还原回收金属、水制氢、硝酸盐还原和硫酸盐还原。

MFC对于只需要低功率但更换电池可能不切实际的发电应用很有吸引力，例如无线传感器网络。然后，由微生物燃料电池供电的无线传感器可以用于远程监控（保护）。几乎任何有机材料都可用于为燃料电池供电，包括将电池耦合到废水处理厂。化学工艺废水和合成废水已被用于在双室和单室无介质MFC（无涂层石墨电极）中产生生物电。使用生物膜覆盖的石墨阳极观察到更高的功率产生。燃料电池排放远低于监管限制。MFC比标准内燃机更有效地转换能量，后者受到卡诺效率的限制。理论上，MFC的能效远超50%。Rozendal生产氢气的能量输入比传统氢气生产技术少8倍。此外，MFC还可以在较小的规模上工作。在某些情况下，电极只需7μm厚x2cm长，这样MFC就可以代替电池。它提供可再生能源形式，无需充电。MFC在20°C至40°C和pH值约为7的温和条件下运行良好，但缺乏长期医疗应用（例如起搏器）所需的稳定性。发电站可以基于藻类等水生植物。如果位于现有电力系统附近，则MFC系统可以共享其电力线。

基于土壤的微生物燃料电池可用作教育工具，因为它们包含多个科学学科（微生物学、地球化学、电气工程等），并且可以使用常用材料（例如土壤和冰箱中的物品）制成。提供用于家庭科学项目和教室的工具包。课堂上使用微生物燃料电池的一个例子是托马斯杰斐逊科学技术高中的IBET（综合生物学、英语和技术）课程。国际微生物电化学与技术学会(ISMETSociety)也提供了一些教育视频和文章。

微生物燃料电池产生的电流与用作燃料的废水中的有机物含量成正比。MFC可以测量废水的溶质浓度（即作为生物传感器）。通常评估废水的生化需氧量(BOD)值。BOD值是通过将样品与适当的微生物来源（通常是从污水处理厂收集的活性污泥）一起培养5天来确定的。MFC型BOD传感器可以提供实时BOD值。氧气和硝酸盐会干扰阳极上的首选电子受体，从而减少MFC产生的电流。因此，MFCBOD传感器在这些电子受体存在的情况下会低估BOD值。这可以通过使用末端氧化酶抑制剂（如氰化物和叠氮化物）抑制MFC中的需氧和硝酸盐呼吸来避免。这种BOD传感器是市售的。美国海军正在考虑将微生物燃料电池用于环境传感器。使用微生物燃料电池为环境传感器供电可以提供更长时间的电力，并能够在没有有线基础设施的情况下收集和检索海底数据。这些燃料电池产生的能量足以在初始启动时间后维持传感器。由于海底条件（盐浓度高、温度波动和营养供应有限），海军可能会部署含有耐盐微生物混合物的MFC，以便更充分地利用可用的营养。Shewanellaoneidensis是他们的主要候选者，但也可能包括其他耐热和耐冷的Shewanellaspp。xxx个自供电和自主的BOD/COD生物传感器已经开发出来，可以检测淡水中的有机污染物。该传感器仅依靠MFC产生的电力，无需维护即可连续运行。它会打开警报以告知污染程度：信号频率增加警告污染程度较高，而频率较低则告知污染程度较低。

2010年，A.terHeijne等人。构建了一种能够发电并将Cu2+离子还原为铜金属的装置。微生物电解池已被证明可以产生氢气。

MFC用于水处理以利用厌氧消化来收集能量。该过程还可以减少病原体。然而，它需要超过30摄氏度的温度，并且需要额外的步骤才能将沼气转化为电能。螺旋垫片可用于通过在MFC中产生螺旋流来增加发电量。由于较大表面积的功率输出挑战，因此缩放MFC是一项挑战。

大多数微生物细胞在电化学上是不活跃的。亚硫氨酸、甲基紫精、甲基蓝、腐植酸和中性红等介质促进了电子从微生物细胞到电极的转移。大多数可用的介质既昂贵又有毒。

无介质微生物燃料电池使用电化学活性细菌，例如腐烂希瓦氏菌和嗜水气单胞菌，将电子直接从细菌呼吸酶转移到电极。一些细菌能够通过其外膜上的菌毛转移其电子产生。无介体MFC的特征不太好，例如系统中使用的细菌菌株、离子交换膜的类型和系统条件（温度、pH等）无介质微生物燃料电池可以在废水中运行，并直接从某些植物和氧气中获取能量。这种配置被称为植物微生物燃料电池。可能的植物包括芦苇、紫罗兰、水稻、西红柿、羽扇豆和藻类。鉴于电力是使用活植物获得的（就地能源生产），这种变体可以提供生态优势。

无介质MFC的一种变体是微生物电解槽(MEC)。MFCs通过水中有机化合物的细菌分解产生电流，而MECs通过向细菌施加电压来部分逆转产生氢气或甲烷的过程。这补充了由有机物的微生物分解产生的电压，导致水的电解或甲烷的产生。在微生物电合成中发现了MFC原理的完全逆转，其中细菌使用外部电流还原二氧化碳以形成多碳有机化合物。

基于土壤的微生物燃料电池遵循基本的MFC原理，其中土壤充当营养丰富的阳极介质、接种物和质子交换膜(PEM)。阳极放置在土壤中的特定深度，而阴极则位于土壤顶部并暴露在空气中。土壤天然富含多种微生物，包括MFC所需的产电细菌，并且富含复杂的糖类和其他从植物和动物材料腐烂中积累的营养物质。此外，土壤中的好氧（耗氧）微生物充当氧气过滤器，与实验室MFC系统中使用的昂贵PEM材料非常相似，这会导致土壤的氧化还原电位随着深度的增加而降低。基于土壤的MFC正在成为科学课堂的流行教育工具。沉积物微生物燃料电池(SMFC)已应用于废水处理。简单的SMFC可以在净化废水的同时产生能量。大多数此类SMFC包含模仿人工湿地的植物。到2015年，SMFC测试已超过150L。2015年，研究人员宣布了一种SMFC应用程序，该应用程序可以提取能量并为电池充电。盐在水中解离成带正电和带负电的离子，移动并附着在各自的负电极和正电极上，为电池充电并可以去除盐，从而实现微生物电容式脱盐。微生物产生的能量超过了脱盐过程所需的能量。2020年，一个欧洲研究项目实现了将海水处理成淡水供人类消费，能耗约为0.5kWh/m3，这意味着在最先进的海水淡化技术方面，当前能耗降低了85%。此外，获得能量的生物过程同时净化残留水，将其排放到环境中或在农业/工业用途中再利用。这已在Aqualia于2020年初在西班牙德尼亚开设的海水淡化创新中心实现。

光养生物膜MFC(ner)使用光养生物膜阳极，其中含有光合微生物，如绿藻门和candyanophyta。它们进行光合作用，从而产生有机代谢物并提供电子。一项研究发现，PBMFC显示出足以满足实际应用的功率密度。在阳极使用纯氧光合材料的光养MFC子类别有时称为生物光伏系统。

美国海军研究实验室开发了纳米多孔膜微生物燃料电池，该电池使用非PEM在电池内产生被动扩散。该膜是无孔聚合物过滤器（尼龙、纤维素或聚碳酸酯）。它提供与Nafion（一种著名的PEM）相当的功率密度，并具有更高的耐用性。多孔膜允许被动扩散，从而减少提供给MFC的必要功率，以保持PEM活跃并增加总能量输出。不使用膜的MFC可以在需氧环境中部署厌氧细菌。然而，无膜MFC会受到原生细菌和供电微生物的阴极污染。纳米多孔膜的新型被动扩散可以实现无膜MFC的好处，而无需担心阴极污染。纳米多孔膜也比Nafion便宜11倍（Nafion-117，$0.22/cm2与聚碳酸酯，<$0.02/cm2）。

PEM膜可以用陶瓷材料代替。陶瓷膜的成本可低至5.66美元/平方米。陶瓷膜的大孔结构允许离子物质的良好传输。已成功用于陶瓷MFC的材料有陶器、氧化铝、莫来石、叶蜡石和赤陶。

当微生物在有氧条件下消耗糖等物质时，它们会产生二氧化碳和水。

微生物燃料电池使用无机介质进入细胞的电子传输链并引导产生的电子。介质穿过外细胞脂质膜和细菌外膜；然后，它开始从电子传输链中释放电子，这些电子通常会被氧气或其他中间体吸收。现在被还原的介体带着电子离开细胞，然后转移到电极上；该电极成为阳极。电子的释放将介质循环到其原始氧化状态，准备重复该过程。这只能在厌氧条件下发生；如果存在氧气，它会收集电子，因为它有更多的自由能可以释放。在MFC操作中，阳极是阳极室中细菌识别的末端电子受体。因此，微生物活性强烈依赖于阳极的氧化还原电位。在阳极电位和醋酸盐驱动的MFC的功率输出之间获得了Michaelis-Menten曲线。临界阳极电位似乎提供xxx功率输出。潜在的介质包括天然红、亚甲蓝、硫氨酸和试卤灵。能够产生电流的生物被称为外电原。为了将这种电流转化为可用的电能，必须在燃料电池中容纳放电原。介质和微生物如酵母在溶液中混合在一起，溶液中加入了底物如葡萄糖。这种混合物被放置在一个密封的室内，以防止氧气进入，从而迫使微生物进行无氧呼吸。将电极置于溶液中作为阳极。在MFC的第二个腔室中是另一种溶液和带正电的阴极。它相当于电子传输链末端的氧汇，位于生物细胞外部。该溶液是一种氧化剂，可在阴极吸收电子。与酵母细胞中的电子链一样，它可以是多种分子，例如氧气，尽管更方便的选择是固体氧化剂，它需要的体积更小。连接两个电极的是一根导线（或其他导电路径）。完成电路并连接两个腔室的是盐桥或离子交换膜。最后一个特征允许产生质子，如方程式中所述。1、从阳极室到阴极室。还原的介体将电子从细胞带到电极。在这里，介质在沉积电子时被氧化。然后它们通过导线流向第二个电极，该电极充当电子接收器。它们从这里传递到氧化材料。此外，氢离子/质子通过质子交换膜（例如Nafion）从阳极移动到阴极。它们将移动到较低的浓度梯度并与氧气结合，但要做到这一点，它们需要一个电子。这会产生电流，并且氢气用于维持浓度梯度。已观察到藻类生物质在用作微生物燃料电池的基质时会产生高能量。