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微生物电池介绍及应用

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 微生物电池
一、知识梳理 1、微生物燃料电池简介 微生物燃料电池 (Microbial Fel Cell, 简称MFC) 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等),以微生物为主体,在阳极将有机物燃料氧化,并将电子捕获,通过电极将其传递至阴极,进而产生电流,最终实现化学能直接

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一、知识梳理

1、微生物燃料电池简介

微生物燃料电池 (Microbial Fel Cell, 简称MFC) 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等),以微生物为主体,在阳极将有机物燃料氧化,并将电子捕获,通过电极将其传递至阴极,进而产生电流,最终实现化学能直接转化为电能的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂,可以在常温常压下进行能量转换。

微生物燃料电池具有产电与废弃物处置的双重功效,它代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向之一,其研究受到了学术界的极大关注,有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。

2、微生物燃料电池分类

根据电子传递方式进行分类,微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。

所谓直接的是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,这种反应在化学中成为氧化还原反应;如果燃料是在电解液中或其它处所反应,电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。

参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种:

(1)微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体,介体再将电子传递给电极;

(2)介体能进入到微生物体内,参加反应被还原,从微生物体内出来后再将电子传递给电极;

(3)微生物吸附在电极表面,它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体,再通过介体传递给电极。

3.微生物电池的工作原理

微生物燃料电池基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下,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,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。

微生物电池介绍及应用

有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化,产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极,电子通过外电路到达阴极,从而形成回路产生电流,而质子通过质子交换膜到达阴极,与电子受体(氧气)反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示:

阳极反应:(CH2O)nnH2O=nCO2+4ne-+4nH

阴极反应:4e-+O2+4H=2H2O

例如:在葡萄糖的发酵过程中,涉及到的可能的反应是:

C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或C6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2

它表明,从理论上说,六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流,而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中,如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质,它通常使用这些电子产生氢气,氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触,或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致,这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。

一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类:梭菌属(Clostridium),产碱菌(Alcaligenes),肠球菌(Enterococcus),都已经从MFCS中分离出来。

4、微生物燃料电池优势

⑴燃料来源多样化:可以利用一般燃料电池不能利用的有机物,无机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物,以及污水等作为燃料。

⑵电池的操作条件较温和:由于使用微生物作为催化剂,电池常温常压下即可运行,这与现有的发电过程不同,使得电池维护成本低、安全性强。

⑶生物相容性好:利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料,可为植入人体的一些人造器官提供电能。

⑷无需能量输入:微生物本身就可以进行能量转化,把燃料能源转化为电能,为人类提供能源。

⑸由于微生物燃料电池的唯一产物是水,所以该技术无污染,可实现零排放。

⑹能量利用率高,能量转化过程无燃烧步骤,可直接将化学能转化为电能,能量利用效率较高。

二、习题精讲

微生物燃料电池(MicrobialFuelCell,MFC)是利用微生物将有机物中的化学燃料能直接转化成电能的装置.以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示.关于该电池的叙述正确的是(  )

微生物电池介绍及应用

A、电池介质可能为强碱性溶液

B、电池的负极反应为:C6H12O6+6H2O-24e-==6CO2↑+24H

C、电池工作时,H+从正极区通过质子交换膜向负极区迁移

C、电池工作时,H+从正极区通过质子交换膜向负极区迁移


分析:

A、从蛋白质的性质分析;

B.负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳,电极反应为C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2↑+24H

C.原电池内部阳离子应向正极移动;

D.根据正负极电极反应式进行计算.

解析:

A、强碱能使蛋白质变性,使微生物失去活性,所以电池介质不能为强碱性溶液,故A错误;

B、负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳,电极反应为C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2↑+24H,故B正确;

C、原电池内部阳离子应向正极移动,所以H从负极区通过质子交换膜向正极区迁移,故C错误;

D、正极反应式为O2+4e-+4H═2H2O,对比负极反应可知,消耗1mol 氧气生成1mol 二氧化碳,标准状况下体积是22.4L,因为温度和压强未知,所以生成二氧化碳的体积不一定是22.4L,故D错误;

故选:B.

点评:本题考查了原电池原理、电极方程式的书写、离子的移动方向,有关化学方程式的计算,有关气体体积的计算要注意温度和压强,为易错点。

(责任编辑:化学自习室)
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