D01:10.13374.isml001053x2007.s2.095 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 冯雅丽)李浩然)祝学远) 1)北京科技大学土木与环境工程学院.北京1000832)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室.北京100080 摘要利用构建的单室微生物燃料电池.进行了阴极板中铁离子浓度、阳极底物、底物浓度及阳极板面积对单室直接微生 物燃料电池性能影响的研究.结果表明：在其它条件相同的情况下.随着阴极电极板中F+含量的增加.电池负载输出电压 随之提高：不同底物的阳极反应.随着产生的电子和质子数的提高，电量随之增大：输出电压亦随底物浓度的增加而提高.但 底物葡萄糖的浓度饱和值为Q72gL:增加阳极板数量加大阳极比表面积，更多的微生物吸附在阳极电极上传递电子，电池输 出电压与阳极板数量不成倍数关系.此研究为单室微生物燃料电池的应用提供了理论依据。 关键词单室微生物燃料电池：电池性能：阴极电极板：底物浓度：阳极电极面积 分类号TM91145 微生物燃料电池是指在微生物催化作用下将化 积物中自行分离（海底沉积物由中国大洋样品库提 学能转化为电能的装置.微生物燃料电池一般包含 供).培养基成分如下(1L):KCl01g,NH4C10.2 阴阳两个极室，中间由质子交换膜分隔开，燃料于 g,NaH2PO406g,NaHCO325g,Wolfe微量维生素 阳极室在微生物作用下被氧化，电子通过外电路到 混合液10mL,Wolfe微量矿物元素到混合液10 达阴极，质子透过质子交换膜到达阴极，氧化物（一 mL,电子供体葡萄糖10 mmol'L1或10mmo/L醋 般为氧气)在阴极得到电子被还原.根据电子传递 酸钠.调pH=68~7.0.利用N2C02(体积比为 方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接 8020)除去灭菌前培养基中的氧气后，分装入厌氧 微生物燃料电池).直接微生物燃料电池是指燃料 培养管中，121℃灭菌15min,在厌氧培养箱进行必 直接在电极上氧化，电子直接从燃料分子转移到电 要的转接等操作，整个过程严格厌氧培养.固体 极：间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，在 FOH)3作为电子受体，浓度为100 mmol'L1,经 别处氧化后，电子通过某种途径再转移到阳极板上. 紫外线灭菌10min后加入厌氧管中.培养温度为 目前质子交换膜燃料电池一般为双室电池，电 极催化多数使用铂系催化剂？.这种双室微生物燃 30℃.细菌在接入电池之前，为了除去Fe(Ⅱ)或Fe 料电池有其不实际之处：(1)在阴极室要通入氧气： (离子对电极反应可能的干扰，将细菌从以Fe (2)铂电极成本高：(3)操作复杂，难以放大应用.因 (OH)3作电子受体的培养基中转入以富马酸钠作 此寻找操作简单、成本低的电池是微生物燃料电池 电子受体的培养基，培养3代后，取对数生长期菌液 的发展方向.本文制作了一种廉价的阴极催化电极 按10%接入阳极室.阳极室的溶液，其成分与培养 (石墨掺杂Fe3+),通过对电池装置的改造，利用 基稍有不同：在阳极室加入电解质NaCl(2.9 Rhodoferax ferrireducens吸附电极的性质构建了单 gL:继续用NaHCO3的缓冲体系：阳极需加入 室直接微生物燃料电池，并对影响单室微生物燃料 电子供体（燃料）葡萄糖或醋酸钠， 电池的几个因素作了研究 1.2阴极电极的制作 以硫酸铁、石墨粉、高岭土和氯化镍为原料制作 1实验材料和方法 阴极电极.这四种原料均为分析纯.购买于北京化 1.1菌种及其培养条件 学试剂公司.其中石墨粉的粒径为一500目，高岭 Rhodoferax ferrireducens(简称R.f)由海底沉 土的粒径为一400目.四种粉末按照一定的质量比 混合，其比例为3%（硫酸铁）：60%（石墨粉）：36% 收稿日期：2007-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.20476009.No. (高岭土)：1%（氯化镍）.将四种粉末与一定量的造 20576137:国家长远发展专项(Na.DY105040一08)：“973"项目 孔剂混合均匀，加入一定量的蒸馏水搅拌均匀，放入 (No.2003CB716001):支撑项目(Na2006BAB02A11) 一个面积为50cm2的圆形模具中，在20kg°cm2的 作者简介：冯雅丽(1967一)，女，副教授，硕士 压力下压成直径为8am,厚度为5mm的圆形薄板，单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析 冯雅丽1) 李浩然2) 祝学远1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080 摘 要 利用构建的单室微生物燃料电池, 进行了阴极板中铁离子浓度、阳极底物、底物浓度及阳极板面积对单室直接微生 物燃料电池性能影响的研究.结果表明:在其它条件相同的情况下, 随着阴极电极板中 Fe 3 +含量的增加, 电池负载输出电压 随之提高;不同底物的阳极反应, 随着产生的电子和质子数的提高, 电量随之增大;输出电压亦随底物浓度的增加而提高, 但 底物葡萄糖的浓度饱和值为 0.72 g/ L ;增加阳极板数量加大阳极比表面积, 更多的微生物吸附在阳极电极上传递电子, 电池输 出电压与阳极板数量不成倍数关系.此研究为单室微生物燃料电池的应用提供了理论依据. 关键词 单室微生物燃料电池;电池性能;阴极电极板;底物浓度;阳极电极面积 分类号 TM 911.45 收稿日期:2007-10-29 基金 项目:国家 自然 科学 基金 资助 项目 ( No .20476009, No . 20576137) ;国家长远发展专项( No.DY105-04-01-08 ) ;“ 973” 项目 ( No .2003CB716001) ;支撑项目( No.2006BAB02A11) 作者简介:冯雅丽( 1967—) , 女, 副教授, 硕士 微生物燃料电池是指在微生物催化作用下将化 学能转化为电能的装置.微生物燃料电池一般包含 阴阳两个极室, 中间由质子交换膜分隔开.燃料于 阳极室在微生物作用下被氧化, 电子通过外电路到 达阴极, 质子透过质子交换膜到达阴极, 氧化物( 一 般为氧气) 在阴极得到电子被还原 .根据电子传递 方式的不同, 可将微生物燃料电池分为直接和间接 微生物燃料电池 [ 1] .直接微生物燃料电池是指燃料 直接在电极上氧化, 电子直接从燃料分子转移到电 极;间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化, 在 别处氧化后, 电子通过某种途径再转移到阳极板上 . 目前质子交换膜燃料电池一般为双室电池, 电 极催化多数使用铂系催化剂[ 2] .这种双室微生物燃 料电池有其不实际之处 :( 1) 在阴极室要通入氧气 ; ( 2) 铂电极成本高;( 3) 操作复杂, 难以放大应用 .因 此寻找操作简单 、成本低的电池是微生物燃料电池 的发展方向.本文制作了一种廉价的阴极催化电极 ( 石墨掺杂 Fe 3 +) , 通过对电池装置的改造, 利用 Rhodoferax ferrireducens 吸附电极的性质构建了单 室直接微生物燃料电池, 并对影响单室微生物燃料 电池的几个因素作了研究 . 1 实验材料和方法 1.1 菌种及其培养条件 Rhodoferax ferrireducens( 简称 R .f ) 由海底沉 积物中自行分离( 海底沉积物由中国大洋样品库提 供) .培养基成分如下( 1 L) :KCl 0.1 g, NH4Cl 0.2 g, NaH2PO4 0.6 g, NaHCO3 2.5 g, Wolfe 微量维生素 混合液 10 mL, Wolfe 微量矿物元素[ 3] 混合液 10 mL, 电子供体葡萄糖 10 mmol·L -1或 10 mmol/L 醋 酸钠 .调 pH =6.8 ～ 7.0 .利用 N2-CO2 ( 体积比为 80∶20) 除去灭菌前培养基中的氧气后, 分装入厌氧 培养管中, 121 ℃灭菌 15 min, 在厌氧培养箱进行必 要的转接等操作, 整个过程严格厌氧培养[ 4] .固体 Fe( OH) 3 作为电子受体, 浓度为 100 mmol·L -1 , 经 紫外线灭菌 10 min 后加入厌氧管中.培养温度为 30 ℃.细菌在接入电池之前, 为了除去 Fe( Ⅱ) 或 Fe ( Ⅲ) 离子对电极反应可能的干扰, 将细菌从以 Fe ( OH) 3 作电子受体的培养基中转入以富马酸钠作 电子受体的培养基, 培养 3 代后, 取对数生长期菌液 按 10 %接入阳极室.阳极室的溶液, 其成分与培养 基稍 有不 同:在 阳极 室 加入 电解 质 NaCl ( 2.9 g·L -1 ) ;继续用 NaHCO3 的缓冲体系 ;阳极需加入 电子供体( 燃料) 葡萄糖或醋酸钠 . 1.2 阴极电极的制作 以硫酸铁、石墨粉 、高岭土和氯化镍为原料制作 阴极电极 .这四种原料均为分析纯, 购买于北京化 学试剂公司 .其中石墨粉的粒径为 -500 目, 高岭 土的粒径为-400 目.四种粉末按照一定的质量比 混合, 其比例为 3 %( 硫酸铁) :60 %( 石墨粉) :36 % ( 高岭土) :1 %( 氯化镍) .将四种粉末与一定量的造 孔剂混合均匀, 加入一定量的蒸馏水搅拌均匀, 放入 一个面积为 50 cm 2 的圆形模具中, 在 20 kg·cm -2的 压力下压成直径为 8 cm, 厚度为 5 mm 的圆形薄板, 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.095