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。

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。