微生物燃料电池应用前景展望

2019-01-18伍赛特

通信电源技术 2019年3期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引言

全球能源需求的增长和化石能源的快速消耗，使得新能源开发变得尤为重要。微生物燃料电池即为一类全新的能源利用方式[1]。通过对微生物氧化-还原反应电子转移过程的人工控制，使得利用微生物发电具备了广泛的应用前景。微生物燃料电池可定义为由生物催化的电化学系统，可将燃料中的化学能在无氧条件下发生氧化-还原反应的过程中直接转化为电能[2]。在技术上，通过选择性离子渗透膜，可将微生物的呼吸作用和发酵作用隔离，再利用人工控制的电子受体和电子传输电路，实现生物电能的利用。

1 微生物燃料电池

微生物燃料电池中的微生物来源广泛，例如废弃物以及废水中的微生物均可用于发电。由于它具有可再生能源的特性，近年来在生物能源研究领域受到了广泛关注。除了用于发电，微生物燃料电池还应用于具备商业价值的化工产品，如有机酸、醛类以及乙醇等。除此之外，有毒物质的分解和废弃物的处理也是近年来的开发重点。此类有毒物质以及废弃物可用作发电过程中的电子给体或受体。可见，微生物燃料电池的发展不仅解决了此类有毒、有害废弃物在处理方面的难题，还将其转变成一种新的能源利用方式。微生物燃料电池在还原反应过程中不仅产生了电能，还可产生如乙醇、丁醇等液体燃料，实现了碳循环，减少了二氧化碳的排放，在全球碳减排方面发挥着积极作用。

2 微生物燃料电池的发电机理

自然界中的微生物在有氧或者无氧的条件下均可进行新陈代谢，即合成代谢和分解代谢。即使具有不代谢性，微生物也会对培养基中的营养物质进行发酵作用，产生还原当量子，并作用于氧化还原载体上，有利于微生物在呼吸作用的过程中产生能量物质。微生物在有氧或者无氧条件下均可进行糖酵解反应，将六碳糖分解成两分子丙酮酸。然而，糖酵解反应对氧气较为敏感，但无论哪种代谢方式，微生物均会产生质子，且产生的质子会吸附在具有高能量的氧化还原载体分子上。通过发酵脱氢作用产生的质子，会利用氧化还原载体向最终电子受体移动，形成质子的传输过程。

然而，最终电子受体在体系中的作用是受到热力学限制的。在有氧条件下，由于体系中很强的还原电势和电负性，质子会通过由氧化-还原载体组成的电子传输链向氧气移动，从而引发氧化磷酸化作用产生三磷酸腺苷ATP。在无氧条件下，其他电子受体分子会携带电子通过氧化-还原载体进行传输。

同样，电子传输速度也会受到热力学的限制。传输速度会随着具有高能量的最终还原产物的生成而减慢。由于氧化剂的电正性较低，因此微生物在无氧条件下的代谢能力明显低于有氧环境。但在无氧条件下，微生物会利用体系中的电子产生多种形式的生物能和各类生化反应产物。微生物燃料电池的主要作用即利用此类产生的电子，通过电极作为最终电子受体的传输媒介而获得电能。

工作过程中，微生物燃料电池第一步是阳极上微生物催化发生氧化反应而生成质子与电子，质子会通过质子交换膜到达阴极，从而使得阴极和阳极产生电势差。由于这种电势差的存在，阳极上的电子会通过外电路从阳极流向阴极，并与最终电子受体发生还原反应。在电子从阳极流向阴极的过程中，外电路的负载即可获得电能。反应过程可简单描述为微生物催化培养基在阳极催化发生氧化反应生成还原当量，随后这些还原当量通过电解质和外电路的传输，最终在阴极发生还原反应[3-5]。

将阳极与阴极隔离开的质子交换膜PEM在电池中起到的作用与微生物外膜的作用类似，目的是产生电势梯度，而电极的作用即为产生类似氧化-还原载体。前者是使电子从阳极流向阴极[6]，后者则是为了协助电子向最终电子受体进行传输。电子从产生到流向最终电子受体的驱动力即为微生物氧化-还原载体与电池间的电势差。微生物在产生还原当量的时候，细胞膜内外就形成了电势差，即膜电位。

由于膜电位的存在，还原当量可穿越细胞膜并继续传输，所以膜电位即已成为质子动力势。当电子到达阳极时，阳极会产生一个负电位。同理，质子到达阴极时也会使得阴极含有正电位，由此产生的电极电位差，从宏观上可反映即电池的电压。实际上，电子的整个运动过程均是在氧化-还原电位的驱动下进行的。大量不同种类的培养基可用于微生物燃料电池的阳极电子给体和阴极电子受体。

3 影响微生物燃料电池性能的因素

3.1 影响微生物燃料电池性能的物理因素

微生物燃料电池的物理组件对于调节电池发电效率较为重要，包括电池结构、阳极液的体积、电极材料及电解质膜等。通常，如果不考虑电池结构，微生物燃料电池的发电能力与反应器体积无关，因为电池的电极间电势差是由电子给体和电子受体决定的[7]。

电子受体的不同对于电池发电效率影响较大。氧气是目前公认的生物氧化-还原体系中最好的电子受体。除氧气之外，Fe3+和Mn2+也是目前研究较多的电子受体。相比其他的电子受体，Fe3+的发电能力更为突出，因为它具备强氧化性、高效的传质速率以及在阴极上具有较低的反应活化能。但是，如果采用金属作为离子受体，同样存在一定的缺陷和不足，如金属离子需要及时补充，金属的排放会污染环境。因此，氧气依然为电子受体的最佳选择。

作为电子传输的媒介之一，电极材料本身的性质也会影响电池的发电效率。此外，具有电化学活性微生物的增长也与电极材料有关。电极材料能否有效接受电子，会直接影响微生物的代谢速度。在选取电极材料时，需考虑以下几方面因素，包括材料本身的导电性、与微生物的适应性、在反应器溶液中的化学稳定性、高效的电子释放速率以及长时间工作的稳定性等。

离子交换膜也是影响微生物燃料电池性能的重要部件之一。微生物燃料电池研究初期采用盐桥进行离子交换，随着技术的不断发展，质子交换膜问世，并很快被应用至燃料电池领域。由于质子交换膜对质子的选择透过性，避免了电池在运行过程中由于其他副反应的发生而造成能量损失。尽管仍存在制造成本高昂等不利因素，但就目前而言，质子交换膜依然具备广阔的发展潜力。

3.2 影响微生物燃料电池性能的生物因素

除了物理因素之外，微生物自身的特点也影响微生物燃料电池的发电性能，通常包括微生物的增长、微生物与电极之间的相互作用、电子传输的机理及电子穿梭载体等。微生物在阳极的氧化反应对整个电池的性能至关重要。不考虑反应机理，细胞外的电子传输与电子载体和阳极间的电势差紧密相关。

3.3 影响微生物燃料电池性能的运行条件

运行条件对微生物燃料电池同样重要，如电子给体的性质、有机负荷、运行时间、氧化-还原反应条件及微环境等。微生物燃料电池可选取不同种类的培养基作为阳极氧化反应的电子给体，并产生原当量物。较为简单的培养基、葡萄糖和醋酸，是应用最广的电子给体。

4 微生物燃料电池的应用

在微生物燃料电池运行过程中，产生的当量还原物在产能和废弃物治理方面有着多种用途。总体而言，微生物燃料电池的应用主要包括三大领域：发电、废水处理以及高附加值产品再生。

在发电方面，它可简述为微生物通过代谢活动产生当量物，这些还原当量物与电子受体发生化学反应，在反应过程中电子的传输过程产生电能；从发电电池的角度而言，它可描述为物质在阳极发生氧化反应，在阴极发生还原反应，在整个氧化-还原反应进行的过程中通过电子转移获得电能。

对于废弃物及废水而言，在特定条件下，它既可以作为电子给体，也可以作为电子受体。无论是在阳极被氧化，还是在阴极被还原，微生物燃料电池对废弃物和废水治理都有着明显的作用。类似地，在电池运行过程中，一些氧化代谢产物可作为电子受体，并可生成具有商业价值的最终还原产物。

近年来，随着微生物燃料电池的发展逐渐呈现出多元化特点，除了上述一些应用领域之外，还出现了一些新兴应用发展方向，如光合成、碳捕捉、海底沉积物发电、海水淡化、生物质发电以及生物传感器等。目前，这些新兴应用领域还处于探索及发展阶段，需要大量的基础研究才能最终实现大规模推广。

总体而言，微生物燃料电池阴极反应在环境治理和生物电化学合成方面的应用受到的关注与日俱增。在保持电压的条件下，微生物燃料电池不仅可还原硫、氮以及金属污染物，还可合成乙醇、丁醇和甲烷等具有价值的产物。究其根本，在于微生物与阴极电极之间的相互作用可使得一些生物化学反应的活化能降低，从而使其具备一定的实际应用价值。如果可有效解决电子损失和产物的选择性问题，将进一步加快其推广的步伐。

5 微生物燃料电池应用前景展望

微生物燃料电池因兼有污染物治理及化工产品合成的功用，目前已成为一项环境友好且发展迅猛的新型发电技术，且涉及诸多应用领域的前瞻性研究。微生物燃料电池用以发电的原料来源极广，因此具备较好的发展潜力。然而，由于当前技术所限，微生物燃料电池的制造成本和发电能力尚无法与现有的发电技术相比，因此现阶段其尚未得以大规模应用。

考虑到它高昂的造价，无膜微生物燃料电池应为未来发展的重点。有毒、有害物质及污水的处理也是微生物燃料电池的重要发展方向，应在现有研发成果的基础上，进一步提升其环境治理方面的性能。

在化工产品合成方面，它仍处于初级阶段，诸多关键性问题目前尚未得以解决，仍需开展大量基础性研究，才能进一步拓展其在合成方面的技术发展空间，尤其应致力于研究来源广泛且对环境存在不利影响的物质为燃料进行产品合成。总体而言，微生物燃料电池的发展道路依然较长，也会存在诸多技术难题有待于研究和解决。