生物电池文献综述

135学术论坛AcademicForum质量管理【基金项目】哈尔滨商业大学创新创业省级项目，项目编号：201310240016【文章摘要】结合生物燃料电池近些年来的研究进展，尤其参考了近年来科学家在电池结构、性能以及产电微生物等方面的研究，查阅各种资料，充分考虑能源利用效率以及微生物燃料电池的应用前景和领域，对现阶段的生物电池的研究进行了总结概括。【关键词】生物燃料电池；微生物；0引言当今世界，能源问题已经成为全世界共同关注的焦点，新型可替代环保能源的寻找开发刻不容缓，微生物燃料电池（MFC）与传统电池不同，创新式利用微生物（microorganism）或酶(Enzyme)作为电池反应催化剂，将化学能转化为电能，其能量转化效率高、生物相容性好、原料来源广泛等优点。1国内外研究进展生物与电之间的联系源于18世纪80年代Galvani的研究发现，从而引发对神经系统理解革命性的改变，19世纪Grove逆转电解水的反应，利用氢气和氧气的结合产生水和电流是燃料电池最早的开端。然而，利用微生物细胞的产电行为直到上世纪早期才被发现。1911年，英国植物学教授Potter等对酵母和大肠杆菌进行实验研究，放置于菌体悬浮液的铂电极上有微弱的电流产生，这也是生物燃料电池的开端。生物燃料电池早在1964年就作为人造心脏起搏器的电源而应用，但因其电量小没能普及。20世纪80年代，研究人士将天然作物的废弃物作为生物燃料电池的原料，由此产生了固定酶电极和电子介体的微生物燃料电池。南阿拉巴马大学将质子交换膜燃料电池的部分作为线性动态模型，用于模拟电池中各气体和水的分压的一阶动态。但在模型中，输出电压仍非线性地依赖这些分压。Logan等人以生活和第二产业废水为底物，接种于厌氧污泥中，构建了新型的生物燃料电池，实现了同步废水处理和污水生物发电。2009年，财政部和科技部决定在北京、上海、大连等13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，截止2011生物电池文献综述于镆宁董玲妹鲁阳阳刘帅郁瑶慧哈尔滨商业大学黑龙江哈尔滨150076年11月，燃料电池汽车占整个示范车辆中的比例为0.19%。2012年国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020）》中要求，到2015年，节能与新能源汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。2生物电池2.1生物电池的分类2.1.1基于产电原理进行分类，包括氢MFCs、光能自养MFCs和化能异养MFCs2.1.2基于电池构型进行分类，包括单极室微生物燃料电池、双极室微生物燃料电池和多级串联MFCs2.1.3基于电子转移方式分类，包括直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池两类2.1.4基于电子从细菌到电极转移方式进行分类，可分为有介体MFCs和无介体MFCs两类2.1.5基于工作方式分类，可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池2.2生物电池--值得重视的环保能源生活中广泛应用的电池主要是化学电池，对环境极易造成伤害。而生物电池是一种环保可持续的，对环境友好的真正意义上的绿色电池。2.2.1传统电池对环境的污染随着科学技术的不断发展，日常生活中使用的电器种类越来越多，电池在生活中变的必不可少。传统电池中含有汞、镉、锰元素，其外壳暴露在自然条件下易氧化而腐朽。当前市面上主要是以圆筒型的电池为主，其电池组成为中间是碳棒，筒中装有二氧化锰、氯化铵、氯化锌等。某些废旧的干电池被埋于地下，随着时间延长，电池中的二价锰与一氧化碳作用，生成了水溶性重碳酸盐，它易溶于水而造成水土污染，勿食者造成重金属中毒。干电池燃烧后由于其中含有的汞易造成汞污染。有关人士称，一节电池可以污染数十万平方米的水；一节一号电池长期在土壤中，能使1平方米土壤不能再有耕作能力。据调查，对环境造成巨大危害的所有物质中，电池就包含了汞、铅、镉等众多重金属元素。因此如果废旧电池与生活垃圾一起进行土壤深埋，或者随意丢弃，则电池中的汞、镉、锰就会渗入土壤及地下水中，造成环境污染，破坏我们的生存环境。2.2.2单步反应型生物电池单步反应型生物电池指的是通过利用体内的氧化还原物质发生氧化还原反应所研制的生物电池。所有生物均依赖能量生存，体内蛋白质、糖、脂肪这三大供能物质的氧化提供生物体所需要的大部分能量。二氧化碳和水是体外燃烧和体内氧化的最终产物，上述两步反应释放能量均相同，因此在化学本质上是相同的，然而上述的反应方式却大不相同。蛋白质、糖、脂肪三大供能物质首先要经历分解代谢，其过程中伴随着辅酶FAD或NAD的还原以及代谢物质的脱氢过程，然后进行彻底的氧化。并且辅酶FAD或NAD在最后将电子和氢离子传递给氧时，均要经过相同的过程。3酶电池随着社会的进步与发展，人类发现了越来越多的材料可以用来做电池的原料，比如锌锰电池、碱性电池、镍氢电池、锂离子电池等。另外，还有锌银电池、镉-氧化银电池、太阳能电池、空气电池、燃料电池、固体电解质电池、热或水激活电池等。我们这里所研究的是以酶做催化剂的生物燃料电池——酶生物燃料电池。酶生物燃料电池就是利用酶所具有的活性在阳极催化燃料分子氧化、同时加快阴极氧的还原的过程，而这种酶是从生物体系中分离提取出来的。4微生物电池燃料为微生物细胞整体，然后选择恰当的电子传递介体在电极和生物组分之间进行有效的电子传递，即微生物燃料电池。其优点是：能量转化效率高、无污染、原料来源广等，如果其研究顺利并且能规模化生产，将可以使往后的科研工作更上一层楼。微生物电池的其他组成主要包括阳极、阴极以及将阳极和阴极分开的质子交换膜。其中阳极产生的氢离子透过质子交换膜扩散到阴极，其产生的电子经外电路循环到达阴极，电子在循环过程中产生电能。【参考文献】[1]宝玥,王月,吴霞琴.生物燃料电池的研究进展[J].电化学,2004,10(1):1-8.[2]孙健,胡勇.有废水处理新理念一微生物燃料电池技术研究进展[J].工业用水与废水，2008,39(1)：1-6.[3]陈少华,汪家权,程建萍.微生物燃料电池处理污染废水的研究进展[J].环境污染与防治，2012,34(4):68-74.[4]胡文娟.含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究[D].湖南大学硕士论文2010.[5]姜秀华.微生物电池技术研究[J].科技资讯，2013：03-04.[6]连静,祝学远,李浩然,等.直接微生物燃料电池的研究现状及应用前景[J].科学技术与工程，2005,5(22):1747-1752.