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微生物燃料电池阳极材料的研究进展 目前，解决日益严重的环境问题，寻找新能源是人类社会可持续发展的两大根本问题。微生物燃料电池(MFC)是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置,是在生物燃料电池基础上,伴随微生物、电化学及材料等学科的发展而发展起来的。MFC具有发电与废弃物处置的双重功效,代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向,有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。 20世纪90年代起,利用微生物发电的技术出现了较大突破,MFC在环境领域的研究与应用也逐步发展起来。虽然MFC产生的功率密度比其它类型的燃料电池要低,但它在废水处理中的应用将是最有前景的发展方向。与其他燃料电池相比,MFC因具有以下特点将在航空、移动装置、备用电力设备、医学、环保等领域显示出显著优势:(1)原料来源广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等;(2)操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的,这使得电池维护成本低、安全性强;(3)清洁高效。将底物直接转化为电能,具有较高资源利用率,氧化产物多为CO2及H2O,无二次污染。因此,很多学者称MFC是一项具有广阔应用前景的绿色能源技术。作为一项可持续生物工业技术,它为未来能源的需求提供了一个良好的保障。 目前,微生物燃料电池的研究正处于实验室研究或小批量试验水平,在实际应用中电池输出功率比较低(一般小于10 W/m2阳极面积),这主要是由于在细菌细胞和外电极之间电子转移很困难。因此,高性能电极材料是最重要的。特别是阳极材料及其结构,可以直接影响细菌附着,电子转移和底物氧化。本文作者主要介绍了MFC在电极材料,特别是阳极材料上的研究进展。 1 电子载体的作用 MFC基本工作原理(如图1所示):(1)在阳极池,阳极液中的营养物在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物,电子通过载体传送到电极表面。随着微生物性质的不同,电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子,也可能是微生物代谢产生的还原性物质。(2)电子通过外电路到达阴极,质子通过溶液迁移到阴极。(3)在阴极表面,处于氧化态的物质(如氧气等)与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应,生成水。其阳极和阴极反应式如下所示: 阳极:(CH2O)n+n H2O→n CO2+4ne-+4n H+ 阴极:4e-+O2+4H+→2H2O 2 电子击穿产电 在微生物燃料电池利用有机物产生电能的整个过程中,起决定作用的是电子在阳极区的传递。此过程中,在细胞内的电子转移是利用微生物氧化代谢中的呼吸链,使电子经NADH脱氢酶、辅酶Q、泛醌传递、细胞色素等,或者微生物膜表面的氢化酶转移出细胞。然后,在细胞外的电子还必须通过与膜关联物质,或者可溶性氧化还原介体转移到电极上。目前,已发现且研究证实的阳极电子传递方式主要有4种:直接接触传递、纳米导线辅助远距离传递、电子穿梭传递和初级代谢产物原位氧化传递。这4种传递方式可概括为两种机制,前两者为生物膜机制,后两者为电子穿梭机制。这两种机制可能同时存在,协同促进产电过程。 生物膜产电机制,即微生物在电极表面聚集,形成生物膜,达到直接接触或利用纳米导线辅助转移电子的目的,是一种无介体电子传递。电子穿梭产电机制,即微生物利用外加或自身分泌的电子穿梭体(氧化还原介体),将代谢产生的电子转移至电极表面。由于微生物细胞壁的阻碍,大多数微生物自身不能将电子传递到电极上,需借助可溶性氧化还原介体,即有介体进行电子传递。 3 mf电极材料的科学研究 3.1 过滤法mfc 在MFC中,影响电子传递速率的因素主要有:微生物对底物的氧化;电子从微生物到电极的传递;外电路的负载电阻;向阴极提供质子的过程;氧气的供给和阴极的反应。提高MFCs的电能输出是目前研究的重点,电极材料的选择对最终产能效率有着决定性的影响。对于阳极,应选择吸附性能好、导电性能好的电极材料。对于阴极,应选择吸氧电位高且易于扑捉质子的电极材料。一般选择有掺杂的阴极材料(如载铂的碳电极)。 从MFC的构成来看,阳极作为产电微生物附着的载体,不仅影响产电微生物的附着量,而且影响电子从微生物向阳极的传递,对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此,从提高MFC的产电能力出发,选择具有潜力的阳极材料开展研究,解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响,对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中,高性能的阳极要易于产电微生物附着生长,易于电子从微生物体内向阳极传递,同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极,但是各种材料之间的差异,以及各种阳极特性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。 (1)碳材料 碳材料,如碳纸、碳棒、碳颗粒、