微生物燃料电池 朱亚辉.ppt

微生物燃料电池 制作人：朱亚辉 姚烘烨 杨金鹏 狄伟强 胡灿阳 夏德铭 时间：2016.10.24 DUT 研究背景 01 简单分类 03 发展展望 05 基本原理 02 具体应用 04 THE MAIN CONTENTS Research on Microbial Fuel Cells DUT 1 第 部分 研究背景 简单来说：微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFC）是一种利用微生物（产电菌）将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。 MFCs 也可以被简单地定义为通过微生物的厌氧呼吸过程氧化底物、还原电极并输出电能的生物电化学系统。  研究背景 01 DUT Research on Microbial Fuel Cells . What’s the MFCs？ 什么是微生物燃料电池？ 1911 年，英国植物学家 Potter 发现微生物的催化作用可以在燃料电池系统中产生电压[1]，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)技术的发展就此开始。 20 世纪50年代，由于美国航空航天局(NASA)的推动，微生物燃料电池曾一度成为研究热点。 1999 年， Kim 等发现：Shewanella putrefaciens可以在无外源电子介体的条件下催化 MFCs产电，该研究促使 MFCs技术摆脱了依赖外源电子介体的瓶颈. 研究背景 01 DUT Research on Microbial Fuel Cells . The history of MFCs 微生物燃料电池发展历史 进入 21 世纪之后，随着《降低电极微生物从海洋废弃物中提取能源》在《科学》杂志的发表，标志着能直接将电子传递给固体电级受体的微生物的发现，使得 MFC 迅速成为环保领域研究的新热点 。 研究背景 01 DUT Research on Microbial Fuel Cells . The history of MFCs 微生物燃料电池发展历史 美国宾夕法尼亚州大学氢能源研究中心的 Bruce E.Logana 教授研究 MFC 构型与电极材料方面的改进，研发出了易于搭建、廉价且高效的MFC 雏形。  韩国科学技术研究院水环境修复中心的 Byung Hong Kim 教授和比利时根特大学微生物生态与技术实验室的Willy Verstraete 等则在 MFC 产电菌和微生态方面做了大量基础研究工作，以探明 MFC 中电子产生与传递机理及微生物种群的关系及演变。  这些研究构成了 MFC技术的基本理论框架与技术方法。 研究背景 01 DUT Research on Microbial Fuel Cells . The history of MFCs 微生物燃料电池发展历史 2 第 部分 微生物燃料电池基本原理 基本原理 02 DUT 01 02 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料（有机物质）的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。  以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下： 阳极反应： C6H1206+6H2O→C02+24e-+24H+ 阴极反应： 602+24e-+24H+→12H20 基本原理 02 DUT 03 阴极 阳极 微生物 负载电阻 H+ 质子交换膜 氧化剂 还原产物 e- e- 氧化产物 直接或间接 电子传递 有机物 O2 H20 H+ e- e- CO2 H+ e- 基本原理 02 DUT 04 离子交换膜将阳极室与阴极室相分幵,在每一区域发生着不同的反应。MFCs的工作过程可分为以下几个步骤: (1)在阳极室,微生物将底物氧化,这个过程伴随着电子和质子的释放,同时以细胞膜作为电子的受体; (2)释放出来的电子进一步从细胞膜转移到电池的阳极匕经由外电路到达MFCs的阴极,最终在阴极上与电子受体(氧化剂)结合; (3)氧化过程中生成的质子经电池内部的离子交换膜扩散到阴极区,并与电子受体于阴极表面发生还原反应,氧化物质被还原。从而完成整个MFCs的电子产生、传递、流动过程,形成电流。 基本原理 02 DUT 05  无介体微生物是 MFC 研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效输出。目前，研究报道无需外加介体的产电微生物主要有Shewanella putre