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- 1、国立清华：废弃菱角壳衍生纳米多孔碳，用于微生物燃料电池
- 2、微生物燃料电池的原理和应用解析
1、国立清华：废弃菱角壳衍生纳米多孔碳，用于微生物燃料电池
成果简介
微生物燃料电池 (MFC) 是一种新兴的可持续能源技术，它利用微生物将化学能转化为电能。然而，高成本和低功率输出限制了MFC的先进发展。本文，国立清华大学Tzu-Yin Liu、Han-Yi Chen等研究人员在《Advanced Energy & Sustainability Research》期刊发表名为“Trapa natans Husk-Derived Nanoporous Carbons as Electrode Materials for Sustainable High-Power Microbial Fuel Cell Supercapacitor Systems”的论文，研究农业废弃物Trapa natans外壳来获得低成本的纳米多孔碳，Trapa natans壳衍生的纳米多孔碳 (TNH) 用作MFC中的电极材料。平均功率密度高达5713mWm-2。此外，具有TNH基电极的超级电容器 (SC) 被用作 MFC 的能量存储，在 1000 次循环后表现出85Fg-1的高比电容。结果表明，TNH是MFC-SC系统中一种很有前途的材料。
文献：
https://doi.org/10.1002/aesr.202100163
2、微生物燃料电池的原理和应用解析
随着工农业生产的发展和人们生活水平的提高，水污染与能源危机成为了当今世界面临的两大难题。目前，仍广泛采用的是利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物，主要包括好氧和厌氧生物处理两种。微生物燃料电池是一种直接被微生物氧化还原的可生物降解材料。先来看看MFC的原理和应用分析。
微生物燃料电池的原理及应用分析。
微生物燃料电池简介。
贝壳可以为海洋微生物燃料电池提供丰富的营养物质。
在可再生能源开发领域，海洋微生物燃料电池发挥着重要作用。这种绿色水能源供应系统具有可再生、环保和可持续发展的优点，也非常实用和普遍。科学家希望利用海洋微生物和淡水微生物的天然摄食习性，产生能在海洋或淡水水域持续十几年的能源，从而为布置在近海和淡水水域的传感器永久供电。此外，如果这种能源能够投入实际使用，还可以用于研究和开发独特的水流运动监测系统。
在现实生活中，水能源供应系统经常被放置在遥远的水域，为放置在浮标或水中的许多传感器提供能量。这些传感器通常用于测量海水、河水和湖水的温度、压力、盐度、密度、浊度和污染排放。它们还用于监测海上钻井平台周围水域，以及海水、河水和湖水的污染状况，如赤潮引起的水质变化。还有一些测量水下声、光传导率的小型便携式仪器，也需要能永久供电的能源。因为，虽然上述装置所需的能量很小，但被检查区域往往需要长期的远程监控。
据最新一期《美国环境科学与技术》杂志报道，美国宾夕法尼亚大学的科学家在海洋微生物燃料电池领域取得了一些新进展。他们发现废弃的蟹壳和虾壳有了新的用途，它们很可能是延长微生物燃料电池使用寿命的关键，微生物燃料电池是水生传感器的电源。
为了发电，微生物燃料电池需要为细菌提供食物——有机物。然而，深海海底沉积物可能极其缺乏有机物，因为海洋中的生物通常生活在透明层中，光线可以穿透海水。这些生物在这个区域不断循环利用，形成食物链，很少有有机物能落到海底。科学家认为，细菌食物来源——有机物的缺乏限制了海洋微生物燃料电池的使用寿命。
宾夕法尼亚大学的研究人员利用碳纤维布制成的枕形电极，对包括甲壳类动物在内的各种甲壳类动物进行了研究，这些甲壳类动物是甲壳类动物加工后的下脚料。电极被放置在海底沉积物中或悬浮在水中，这样自然产生的微生物可以通过吞噬硬壳并四处游动来保持它们的体力，从而引起电荷流动。
微生物燃料电池的工作原理是:细菌在水中运动时，可以将电子传递到阳极，这些电子通过导线从阳极流向阴极，从而产生电流。在这个过程中，细菌需要消耗水中或底部沉积物中的有机物质。宾夕法尼亚州的科学家利用海洋中自然存在的微生物，因为有如此多的海洋生物产生贝壳，许多海洋微生物依靠贝壳的分解为生。
研究人员包括环境工程教授布鲁斯·洛根、土木工程助理教授雷切尔·布伦南和农业与生物工程助理教授汤姆·理查德。他们测试了两种贝壳和一种纤维素。发现纤维素不如贝壳。他们认为这是因为海洋对贝壳如此习惯，以至于生活在贝壳上的天然海洋微生物远远超过了那些吃纤维素的人。
研究小组在实验室条件下制造了一种海洋微生物燃料电池。外壳为玻璃瓶，瓶底填充海底沉积物，其中埋有碳纤维布制成的导电阳极，铂阴极悬浮在水中。当然，如果是在海里，就不需要用容器，但是阳极和阴极必须足够近，这样正电荷才能通过液态水到达阴极。
研究人员测试了两种不同大小的贝壳，发现两种贝壳都可以在不添加细菌有机食物的情况下增加海洋微生物燃料电池的发电能力，细粒贝壳的发电能力几乎是粗粒贝壳的两倍。这说明海洋微生物更容易消化细粒贝壳。
研究人员对这一发现非常感兴趣，认为通过调整颗粒大小，可以控制细菌消耗外壳的比例，从而改变海洋微生物燃料电池的功率输出和微生物燃料电池的使用寿命。从技术上讲，人类可以通过为细菌提供更多的食物来增加电池的功率。
生物燃料电池。
这种电池利用生物体的异化作用，氧化微生物中的有机物，将化学能转化为电能。在有机物分解过程中，电子流是不可避免的。利用一定的获得这些电子流，并将其引导到外部电路，就可以实现化学能和电能之间的转换。
利用这个原理，我们可以采用两种方式。
首先，保持微生物细胞的完整性，在介质的帮助下将化学能转化为电能。氧化的小分子介质可以通过细胞膜或酶的蛋白壳到达反应位点，接受电子后被还原，然后扩散到阳极进行氧化反应。以使用乙醇脱氢酶的甲醇燃料电池为例，在阳极区进行酶催化反应，原料甲醇脱氢氧化后产生的电子首先转移到ADH的活性中心，然后借助介体(MED)转移到阳极，再通过外电路负载L到达阴极..反应中产生的质子(H+)通过质子交换膜进入阴极区，与阴极上的氧气反应，从外电路接收电子，生成水。
另一种是破坏细菌的细胞膜，使细胞中分解有机物的酶和细胞器暴露出来。酵母细胞破坏后仍具有糖酵解能力。说明细胞破坏后一定时间内不会丧失生理活性。反应原理仍如上所述。此外，生物催化酶与电极的直接接触可以提高生物电池的电位。但是电池中的微生物在破裂一段时间后会失活，所以我们必须保持一定数量的完整微生物，同时保证微生物的部分细胞液在电池中。为了达到这个目的，我们可以把控制溶酶体裂解的基因从温和的病毒转移到这种微生物中，让它在一定时间后裂解，而其他个体保持完整并繁殖。以便可持续地发电。
光合细胞。
在条件恶劣、日照不足的深海地区，能够长时间工作的光合细菌电池将会给人们带来无限的便利。
光合细菌有两种，一种是好氧蓝藻，进行释氧光合作用。一种是生活在缺氧环境中的绿色和紫色光合细菌，进行非放养光合作用。它们的反应中心是叶绿体。吸收光波后，叶绿体发出电子，电子被电子受体分子接收并传输到另一个叶绿体，在那里它们接收电子并产生一个ATP分子。用来产生ATP的能量被介质带走，然后介质到达电极，向电极释放电子。这样，在光合作用途径中有电子转移，可以使光合作用正常进行。这种作用原理就像氧化磷酸化中的阻断剂，阻止ATP的形成，将化学能转化为热能，而在光合细菌细胞中，化学能转化为电能。
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