微生物燃料电池的研究有哪些尚未解决的问题？
1简介微生物燃料电池(MFC)是以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家波特发现细菌培养液可以发电，这是最早的关于微生物燃料电池的报道。近年来，MFC技术因其诸多优点和应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的极大关注。
毫无疑问，微生物燃料电池是利用生物质能的一种新的有效途径。它利用细菌分解生物质产生生物电，具有无污染、能量转换效率高、应用范围广等优点。因此，MFC逐渐成为当今社会的研究热点之一。
2微生物燃料电池的工作原理
图1是典型双室MFC的工作原理示意图。该系统主要由阳极、阴极和分隔阳极和阴极的质子交换膜组成。阳极室内的产电细菌催化有机物氧化直接产生质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传递到电极表面。根据微生物的性质，电子传递的载体可以是外源NADH和呼吸链相关的色素分子以及微生物代谢的还原性物质。阳极产生的H+通过质子交换膜扩散到阴极，阳极产生的电子通过外电路循环到达电池的阴极。当电子流过外部电阻时，它们输出电能。在阴极催化剂的作用下，电子。它与阴极室中的电子受体结合，并经历还原反应。
图1微生物燃料电池工作原理示意图
以葡萄糖为底物的典型反应为例说明了MFC的工作原理。在反应中，氧是电子受体，反应完成后葡萄糖被完全氧化。
阳极反应:
_CHO？6HO？CO？24H？24e612622
阴极反应:
_6O2？24H？24e？12H2O
总反应:
C6H12O6？6O2？6CO2？6H2O
3微生物燃料电池的应用现状
迄今为止，MFC的性能远低于理想状态。制约MFC性能的因素包括动力学、内阻和传输。动力学制约的主要表现是活化电位高，导致阳极或阴极表面反应速率低，难以获得高输出功率。内阻可以提高电池的输出功率，这主要取决于电极和质子交换膜之间电解液的电阻。缩短电极间距和增加离子浓度可以降低内阻。不用质子交换膜可以大大降低MFC的内阻，此时获得的最大功率密度是质子交换膜的5倍，但必须注意氧扩散的问题。另一个重要的限制因素是电子转移过程中反应物与微生物活性位点之间的传质阻力和最终电子受体在阴极区的扩散速率。最后，如果电子受体使用铁氰化物或者阴极介体使用铁氰化物，则输出功率和电流可以更高。此外，微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长速率、生物量负荷、反应器搅拌、操作温度和pH都对微生物燃料电池中的传质有影响。
目前主要研究微生物燃料电池的发电性能。同时，由于其特殊的结构和原理，MFC具有许多潜在的应用领域，主要包括废水处理、电力制氢和传感器。
3.1废水处理
近年来，微生物燃料电池已被尝试用于处理富含可生物降解有机物的废水，并在废水降解的同时发电。表3.1列出了用于废水处理的MFC的现状。
用于污水处理的微生物燃料电池的例子
此外，微生物燃料电池在处理废水方面有很多优势，还可以与传统的厌氧和好氧工艺相结合，达到更好的处理效果。
3.2电动助产氢气
微生物燃料电池由于输出效率低而难以直接应用，MFC辅助制氢技术是一种很有前途的途径。其工作原理是:在无氧条件下，向双室MFC阴极施加远小于水分解电压的小电压，可以促进转移到阴极的电子和质子结合产生氢气，从而达到利用MFC系统制氢的目的。
微生物燃料电池电助氢反应器的优点是阴极省去了MFC-氢这一常见的电子受体，可以避免氧通过质子交换膜扩散到阳极的影响。同时，该工艺产生的氢气纯度高，可积累、储存和运输，促进了MFC技术的实际应用。
3.3生物传感器
根据MFC的工作原理，MFC的电流(或电压)输出在一定浓度范围内与阳极的基体浓度成线性关系，因此可以开发基于MFC的传感器，最典型的就是BOD5的快速检测。Lorenzo等人以人工废水为燃料构建了BOD5传感器。传感器的输出功率与BOD5浓度呈良好的线性关系，具有很高的重复性和稳定性，可连续运行7个月。
除了用作BOD5传感器，一些研究人员尝试使用MFC传感器向UAFB发送信号。
实时监测发酵液的pH值和沼气流量可以实现对厌氧硝化过程动态变化的监测。有研究人员在MFC的质子交换膜两侧添加两块微硅板作为集流体，通过电流的变化来反映基质中的有毒化合物。这些研究有助于拓展MFC技术的应用领域。
4微生物燃料电池技术发展前景
MFC技术在不断发展，并在许多方面取得了重大突破。然而，由于其功率较低，该技术尚未实现真正的大规模实际应用。基于其发电性能的制约因素，未来的研究方向可以概括如下。
(1)深入研究和完善MFC的发电理论。MFC发电的理论研究处于起步阶段，电池输出功率较低，严重制约了MFC的实际应用。MFC产电微生物的生长代谢过程、产电呼吸过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后研究的重点。
(2)筛选和培养高活性微生物。目前，大多数微生物燃料电池使用单一种类的微生物。为了达到实际应用的目的，需要寻找自身能够产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子转移化合物的微生物。未来的研究应该致力于寻找和选择这种高活性的微生物。
(3)优化反应器的结构；5建议；微生物燃料电池的潜在优势使研究人员对其发展前景非常感兴趣；(1)通过分析阳极微生物，加强对MFC机理的研究；(2)优化燃料电池的结构、材料和运行模式；作为一种可再生的清洁能源技术，燃料电池正在迅速兴起。同时也扩大了用于满足我们能源需求的燃料；7篇参考文献；江秀华。微生物电池技术的研究[D]。科技信息；[2]张静，张宝
(3)优化反应器结构。研发单室结构和多级串联微生物燃料电池，利用微生物固定化技术和贵金属修饰技术改善电极结构和性能。选择吸附性和导电性好的材料作为阳极，选择吸氧电位高、容易捕捉质子的材料作为阴极。
5条建议
微生物燃料电池的潜在优势使研究人员非常看好其发展前景，但其较低的输出功率限制了其在生产和生活中的应用。因此，建议研究者从以下三个方面进一步研究MFC:
(1)加强MFC机理研究，通过分析阳极微生物确定电子产生和转移机理，实现高效产电微生物的筛选和转化。
(2)通过优化MFC的结构、材料和运行方式，提高了电子传质速率，降低了电压损失，提高了MFC的发电性能。尝试MFC的工程放大，实现实际应用。6结论
作为一种可再生的清洁能源技术，燃料电池正在迅速兴起，并逐渐显示出其独特的社会价值和市场潜力。随着研究的深入和生物电化学的不断进步，微生物燃料电池将不断得到推广和应用。与微生物燃料电池相比，目前使用的燃料电池存在成本高、利用率低的缺点，因此微生物电池具有广阔的应用前景。与其他利用有机物生产力的现有技术相比，微生物燃料电池具有操作和功能优势:首先，它们直接将底物转化为电能，确保高能量转化效率；其次，与所有现有的生物能源处理方式不同，微生物燃料电池可以在常温下有效运行；第三，微生物燃料电池不需要废气处理，因为它产生的废气主要成分是二氧化碳，一般情况下没有可重复利用的能源；第四，微生物燃料电池不需要输入大的能量，因为如果是单室微生物燃料电池，只需要通气就可以被动补充阴极气体；第五，微生物燃料电池有潜力在缺乏电力基础设施的地方广泛使用。
同时，它也扩大了用于满足我们能源需求的燃料的多样性。研究微生物电池是造福人类的重大举措，应该投入更多的人力物力。