當廢舊干電池在土壤中腐爛釋放出有毒重金屬的時候,當環境污染已成為每個人都不得不面對的問題的時候,當 "礦物能源枯竭"已不再是天方夜譚的時候,一種清潔高效的能源走進了人們的視野,它就是微生物燃料電池。

一、基本原理

微生物燃料電池是燃料電池中特殊的一類,它利用微生物作為反應主體,將燃料的化學能直接轉化為電能。其工作原理與傳統的燃料電池存在許多相同之處。

1911年植物學家Potter用酵母和大腸桿菌進行試驗,發現微生物也可以產生電流。從此,開創了生物燃料電池的研究。現在,研究較多的微生物燃料電池是將發酵過程中產生氫氣的微生物細胞直接固定在H2/O2 燃料電池的陽極,如將卷筒式的鉑電極放入含C.butyricum微生物的懸浮液中,懸浮液即與丙烯酰胺聚合形成凝膠。在電極表面進行的發酵過程可直接提供陽極所需的燃料H2 ,而發酵過程的副產物則可作為次級燃料進一步被利用。例如產生的甲酸在凝膠中向陽極擴散,并在陽極電化學氧化生成氫離子和二氧化碳。對于上述體系,H2 是主要的發酵產物。但當發酵液通過陽極時,代謝產生的甲酸也作為燃料在陽極直接氧化,因此H2并不是陽極電流的唯一來源。在最優化的操作條件下,含 0.4g濕微生物細胞 (相當于 0.1 g干細胞 )的電池可以達到 0.4V的輸出電壓和 0.6mA的輸出電流 。

二、獨特的優點

微生物燃料電池為人們所重視,自然有它的獨特優點:

1. 原料廣泛。可以利用一般燃料電池所不能利用的多種有機,無機物質作為燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。也就是說,地里的高粱稈,吃剩的香蕉皮,甚至是洗菜水都可以轉變成電能。

2. 操作條件溫和。一般是在常溫,常壓,接近中性的環境中工作的。這使得電池維護成本低,安全性強 。微生物的培養通常不需要苛刻的條件,只需要"一簞食,一瓢飲",而燃料電池也只是加了容器和兩個電極罷了。

3. 資源利用率高,無污染。既然微生物可以利用如此多的有機原料和無機原料,那么就不必擔心要像燒火爐一樣每天掏灰,而且不像直接燃燒那么烏煙瘴氣,能量利用率也上了一個臺階。

三、廣泛的應用前景

原料廣泛,條件溫和而又清潔高效,微生物燃料電池吸引了能源,交通,環境,航天等各方面的廣泛關注。人們希望研制出可用于宇宙飛船的電池,以宇航員的生活廢物為燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃料電池如果應用于污水處理,既可分解其中的污染物,又可產生電力供應自己和周圍地區的需要;甚至,在科幻電影中以天然食物為能源,可以通過"吃飯"來補充能量的機器人也將成為現實。這是一個夢幻般的前景,如果實現,我們將可以廣泛使用到大量的,高效的,清潔的能源。

四、不足之處及解決方案

雖然微生物燃料電池有如此多的優點,但是它作為一種新能源的實際應用仍存在不小的障礙。主要是因為它的輸出功率密度遠不能滿足要求。按照Marcus和Sotin提出的理論,電子傳遞速率是由電勢差,重組能和電子供體與受體之間的距離決定的,決定微生物燃料電池輸出功率密度的主要因素是相關的電子傳遞過程,也就是說,生物體系緩慢的電子傳遞速率是微生物燃料電池發展的瓶頸。理論和實驗都表明,隨著電子傳遞途徑距離的增加,電子傳遞速率呈指數下降的趨勢。酶分子蛋白質的外殼對從活性中心到電極的直接電子傳遞產生了屏蔽作用,微生物細胞的體積要比酶分子大的多,所以屏蔽作用就更加明顯了。引入電子傳遞介體一定程度上可提供有效的電子傳遞通道。然而,有時這樣做無形之中又增大了電子的傳遞距離,其總體的效果依然不令人滿意。因而最理想的是通過借鑒生物電化學領域的直接電子傳遞的研究成果,在微生物燃料電池中實現直接的電子傳遞,從而提高輸出功率。目前,實現直接的電子傳遞主要有以下幾種方法:

1. 對微生物酶的外殼進行修飾,再將其固定到電極表面從而實現電子的直接傳遞;

2. 在比微生物細胞更小的尺度上,直接使用導電聚合物固定酶,使導電聚合物深入到酶的活性中心附近,從而大大縮短電子傳遞的距離,實現電子的直接傳遞;

3. 通過在電極表面進行貴金屬納米粒子,以及碳納米管等物質的修飾,利用納米粒子的尺寸效應,表面效應等奇妙的特性來實現直接的,快速的電子傳遞。

五、結語

總之,作為一種清潔,高效的全新能源,微生物燃料電池擁有眾多的優勢,也尚有不少的不足。隨著生物科學,電化學等相關學科的發展,微生物燃料電池必將在人類的能源史上展開新的篇章,帶給我們美好的未來。
 

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章