|
【关键词】引入,高中,化学,知识,电池,燃料,分析,电子,微生物,传递
微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化反应将化学能直接转化为电能的装置,其基本构造与普通燃料电池类似,如图1所示。微生物燃料电池的阳极通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料,阴极则大多使用载铂碳材料。保持阳极池无氧,阴极池有氧,两池之间的阳离子半透膜使H+自由通过,氧气不能通过。连接两极的外电路中串联电阻器或其他电子设备[1~3]。
图1 微生物燃料电池构造示意图
与传统燃料电池不同的是,微生物燃料电池的阳极反应是靠微生物催化氧化有机物(底物)而产生电子和质子。电子通过导线传递到阴极,质子通过半透膜渗入阴极池。阴极池中,氧气、质子、电子反应生成水。常用葡萄糖作为底物,反应如下[4]:
阳极反应:C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+
阴极反应:6O2+24e-+24H+→12H2O
电池反应:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
2 微生物燃料电池的产电机制
微生物燃料电池的产电过程可分解为5个步骤:(1)底物生物氧化:阳极池中,底物在微生物作用下被氧化,产生电子、质子及代谢产物;(2)产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面;(3)电子经外电路传输至阴极;(4)产生的质子穿过半透膜,从阳极池迁移至阴极池,到达阴极表面;(5)阴极池中,电子受体(如氧气等)与迁移来的质子和电子在阴极表面发生还原反应。通常,前2个步骤是限速步骤,即电子的产生与传递效率是影响MFC输出功率的最重要因素[2,5]。
2.1 底物生物氧化
2.1.1 产电呼吸代谢[5,6]
微生物在无氧的阳极池中会发生产电呼吸代谢,即通过呼吸代谢过程产生电子、质子及代谢产物。微生物的代谢途径决定电子与质子的流量,它与底物有关,而阳极电势也对它起着决定性作用。
阳极电势较高时,微生物经呼吸链进行代谢,电子和质子通过NADH还原酶、辅酶Q及细胞色素进行传递;阳极电势较低,且存在硫酸盐等其他电子受体时,电子会在这些电子受体上累积,而不与阳极反应;当不存在硫酸盐、硝酸盐和其他电子受体时,微生物主 [1] [2] [3] [4] 下一页 |
用户登录 
新用户注册 