1 微生物燃料电池的历史背景及发展

自工业革命以来，人类对于能源的需求剧增，煤、石油的开采量急剧增大，而化石燃料的储存远远不足以满足人类的发展，同时，开采和使用过程中产生的废水、废气等有害物质，严重威胁着人类的健康。因此，寻求新的能源取代旧能源成为当务之急，而微生物燃料电池以清洁环保的特点越来越使得人们重视[1]。

在1910年,英国植物学家Potter[2]以葡萄糖为底物、以酵母和大肠杆菌为产电微生物在MFC中获得了电压。Habermann[3]等人第一次将MFC用于处理废水并进行了探索。此后, MFC在空间科学研究领域取得了较大的进展[4]。MFC具有比常规燃料电池的燃料来源更加多样化、操作条件更温和、无污染、可实现零排放、无需能量的输入等方面的优点[5], 成为近年来国内外处理污水或者废水的研究热点。在20世纪80年代,由于电子传递中间体的广泛应用使 MFC 的输出功率有了很大的提高。90年代后期,随着研究工作的进行, 发现了无需使用介体而能够实现电子传递的微生物,从此开始了对无介体MFC的研究[6]。

2 微生物燃料电池的工作原理[7,8]

微生物燃料电池与常规电池产能的原理基本相同，只是在电子产生及传递路径上不同。图1所示为以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池生化转化原理和流程。

图1 微生物燃料电池的工作机理

当含有葡萄糖的废水注入阳极室，在厌氧微生物的催化作用下，将葡萄糖降解为二氧化碳，同时产生质子氢（H ）和电子（e-）。如式（1）所示。反应所产生的电子附着在微生物膜上，并传给阳极，再经导线传导阴极，H 不能通过电极到达阴极，只能通过质子交换膜到达阴极表面，在铂（Pt）等催化剂作用下促成质子氢和外电路传来的电子和电子受体（如氧气作为电子受体）一起反应，见式（2）。经这样的工作机理和流程，葡萄糖完全转化为二氧化碳和水，并形成闭合回路，释放化学能，产生电流，输出电压，总的氧化还原式见式（3）。

阳极反应：C6H12O6 6 H2O=6 CO2 24 H 24 e- （1）

阴极反应：24 H 24 e- 6 O2=12 H2O （2）