微生物电池(改)剖析ppt课件.ppt
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1、利用微生物催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置,Microbial Fuel Cell,14生物科学2班马宇昂 张智勇 周煜博,catalogue,基本原理(Rationale)微生物燃料电池独特优势物质解析与介体分类构造体系直接微生物燃料电池的实例直接微生物燃料电池发展方向试研究与应用结语,基本原理,在阳极室(负极)厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递,并通过外电路传递到阴极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到阴极(正极),氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。,大多数微生物燃料电池只在
2、阳极使用微生物催化剂,因此微生物燃料电池的研究工作也多是针对电池阳极区。,阴极,阳极,阴极,阳极,其他燃料电池不具备的若干特点,原料广泛可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。操作条件温和一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作。这使得电池维护成本低、安全性强。生物相容性利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。,物质解析,电子传递方式 直接的微生物燃料电池指燃料在电极上氧化的同时,电子直接从燃料分子转移到电极,再由生物催化剂直接催化电极表面的反应; 间接的微生物燃料电池间接微生物燃料电池的
3、燃料不在电极上氧化,燃料是在电解液中或其它处所反应,电子通过某种途径转移(氧化还原介体传递)到电极上。,间接生物燃料电池工作原理,直接微生物燃料电池工作原理,电子传递中间体分类,由于大部分微生物不具有电化学活性,电子无法直接从微生物到达电极,所以很多微生物燃料电池都需要电子传递中间体的参与,即构成间接微生物燃料电池。,1、人工合成的介体,主要是一些染料类的物质硫堇、AQDS和中性红等;2、某些微生物自身可以合成介体。,电子传递中间体(介体),间接微生物燃料电池局限性,电子传递的距离大,电子传递通道效率低电子传递中间体有毒且易分解,使用介体的间接型电池占主导地位。,近年来,国外陆续发现几种特殊的
4、细菌,可在无电子传递中间体存在的条件下,将电子直接传递给电极产生电,构成直接微生物燃料电池。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,直接(无介体)微生物燃料电池,未解决的问题,微生物与电极间的电能输出原理,1胞外电子传递机制吸附在电极上的细菌悬浮在溶液中的细菌,直接微生物燃料电池(两室)构造体系,微生物燃料电池由有机玻璃材料制成,阴阳两极室体积为 120 m L,极室的尺寸为 63 mm63 mm30 mm. 电池由 4 块有机玻璃板通过螺栓穿接固定而成。,图片 直接微生物燃料电池结构示意图 Fig. Direct microbial fuel cell
5、 assembly,双室微生物燃料电池装置示意图Schematic diagram of the dual-chamber MFCs,直接微生物燃料电池的实例,腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)一种还原铁细菌,在提供乳酸盐或氢之后,无需氧化还原介质就能产生电。实验研究:以腐败希瓦菌等为催化剂,乳酸盐为燃料组装微生物燃料电池。研究发现不用氧化还原介体,直接加入燃料后,几个电池的电势都有明显提高。 机理:位于细胞外膜的细胞色素具有良好的氧化还原性能。可在电子传递的过程中起到介体的作用,且它本身就是细胞膜的一部分,不存在氧化还原介质对细胞膜的渗透问题,从而可以设计出无介体的
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