双极性金属板堆积型微生物燃料电池的研究进展.doc

双极性金属板堆积型微生物燃料电池的研究进展 摘要：微生物燃料电池（MFC）以双极性金属板的形式堆积构成，并测定了其性能。在这种方案中，单个的燃料电池单元用石墨为材质的正负极双极性金属板链接。两种类型的双极性金属板堆积构成了MFC。两者都利用革兰氏阴性菌的葡萄糖氧化反应的催化，在阳极是普通变形杆菌（Proteus vulgaris）的催化作用，而在阴极则是两种不同的反应：一种是利用铁氰化物的反应，而另一种是利用氧气的反应。这两种情况下，总电压是每一个电池单元的总和，并且没发现性能的退化现象。这些电被储存在一个超级电容器内，并驱动外部负载例如马达和电灯泡。 关键词 :微生物燃料电池, 双极板, 电池堆积, 硫素, 普通变形杆菌 简介 作为一种生物燃料电池，MFC可以利用多种微生物产生电力而备受关注。与酶制剂催化的生物电池不同，MFC直接利用活体微生物将化学能直接转化为电能。MFC的优点众多：对环境无害；选择性多；产生的能量多。 虽然已经有很多种MFC问世，但是现在的设计大多与60年代问世的MFC原始模型没有太大改进。在这个设计中，一个单电极片作为正极或负极使用，这种类型的单极电极不会引起MFC的演示或开展的问题。可是，当他们应用于外部高电压设备时，单电极系统可能会无法实现。因为一个单个的MFC可以产生0.5V电压，将多个电池连接起来可以产生较高的电压。将一个电池的正极与另一个电池的负极用导线连接会引起一些不必要的问题例如：1，导线与电极板表面的电压分布不均一；2，在正极和负极之间的电压下降造成输出电压过低；以及3，电池整体体积过大。 在本论文中，我们试图以多电极板生物电池来解决这些问题。在这个设计中，电极板上同时存在正极和负极，由于正极和负极间没有连接部分，可以最小化上述的电压分布不均一或者输出电压下降的问题。电池体积也因为多电极板系列堆积而减小并简化。虽然双电极板在用于质子交换电池时的功能是反应物供给管道和电路连接，实际的电化学反应也能在我们的设计中产生。这是第一次，用我们的方法将这种观念应用于MFC。我们将展示双电极堆积模式的基本原理以及初步成果。 实验部分 微生物的准备：普通变形杆菌P. vulgaris (ATCC6059)从KCTC公司购买并在4℃下于琼脂培养基保存。实验培养是在含有10 g/L 的NaCl, 10 g/L 的蛋白胨,以及1.8 g/L的葡萄糖于37℃下有氧培养。在此培养基上每天接种5%接种三天，在3000转下离心并用pH 7.0的0.05 M磷酸缓冲液洗脱三次后收集细胞。以上步骤在4℃下进行。被洗脱下的细胞悬浮于磷酸缓冲液，并把重量调整到10 mg/ml.细胞的浓度用可见光分光光度计以及平板计数测量。 化学实验：我们在可以将电能从微生物转移到正极的电能媒介下操作MFC系统。自从在分子检测实验有着最好的效果后，硫素一直作为这种介质。即使其他碳源可以利用，但本实验仍然选择葡萄糖作为底物。这些混合物未经提纯而进一步利用。其他化学药品为试剂纯或更加。溶液用去离子水或者18 MW·cm离子交换系统处理水配制。 双电极堆积燃料电池系统：两种型号的堆积型双电极MFC已经被构造出来：一种是利用在阴极的消耗铁氰化物的反应，另一种则是消耗氧气。但是，两种方案在阳极均包含普通变形杆菌组分以及介质。 图1 图1展示了用双电极板堆积的单MFC堆积单元，每一个双极板由碳制成H形状，在每一端有两个格用作正极和负极，网格形状的玻璃碳用作电极材料，它们坚固的附着在双极板上用于导电链接。每个双极板之间有一层半透膜。在这个图片中，五个单元练成一组，然而包括尾板在内只有六个电极板是必须的。所有板用四颗螺丝稳定固定。由于阳极和阴极在同一个双极板上，电流下降和电压分布不均一的问题会被最小化，阳极利用微生物的葡萄糖氧化产生电子，利用硫素将电子传到阳极。与此同时，在阴极发生铁氰化物的反应。 图2 图2所展示的是另一种设计，它利用的是阴极的氧化反应。双极板的一端带有氧气通过的沟槽。氧气被涂于电解质层上的催化层催化反应生成水。催化剂由溶解于电解液浓度为5%的纳米级别的特殊碳材料构成，并于120℃高温下喷射在电解质层上。氧气在阴极反应之前通过热水进行预热。同时两个独立的单元连成一个系列。 电力测量：在电路中流经电池的电压稳定时才可测量放电曲线。流出电流通过连接于阴极和阳极之间不同大小的电阻而形成偏振曲线。同时，电池的电压被连接于电脑的的检测器测量出来。电流用下列公式计算：I = Vcell/Rload。功率用电压乘以电流P = Vcell · I.。 结果与讨论 图3 硫素和铁氰化物的电化学反应：图片3展示了在一个电池单元当硫素（A图）和Fe(CN)63?（B图）之间的伏安图。硫素说明了吸附板上的电压是可逆的。这确保了硫素可以作为一种微生物反应和电力之间的