分析微生物燃料電池知識引入高中化學
時間：
若木1由 分享
【關鍵詞】引入,高中,化學,知識,電池,燃料,分析,電子,微生物,傳遞
微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化反應將化學能直接轉化為電能的裝置,其基本構造與普通燃料電池類似,如圖1所示。微生物燃料電池的陽極通常選用導電性能較好的石墨、碳布和碳紙等材料,陰極則大多使用載鉑碳材料。保持陽極池無氧,陰極池有氧,兩池之間的陽離子半透膜使H?+自由通過,氧氣不能通過。連接兩極的外電路中串聯電阻器或其他電子設備[1~3]。
圖1 微生物燃料電池構造示意圖
與傳統燃料電池不同的是,微生物燃料電池的陽極反應是靠微生物催化氧化有機物(底物)而產生電子和質子。電子通過導線傳遞到陰極,質子通過半透膜滲入陰極池。陰極池中,氧氣、質子、電子反應生成水。常用葡萄糖作為底物,反應如下[4]:
陽極反應:C6H12O6+6H2O→6CO2+24e?-+24H?+
陰極反應:6O2+24e?-+24H?+→12H2O
電池反應:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
2 微生物燃料電池的產電機制
微生物燃料電池的產電過程可分解為5個步驟:(1)底物生物氧化:陽極池中,底物在微生物作用下被氧化,產生電子、質子及代謝產物;(2)產生的電子從微生物細胞傳遞至陽極表面;(3)電子經外電路傳輸至陰極;(4)產生的質子穿過半透膜,從陽極池遷移至陰極池,到達陰極表面;(5)陰極池中,電子受體(如氧氣等)與遷移來的質子和電子在陰極表面發生還原反應。通常,前2個步驟是限速步驟,即電子的產生與傳遞效率是影響MFC輸出功率的最重要因素[2,5]。
2.1 底物生物氧化
2.1.1 產電呼吸代謝[5,6]
微生物在無氧的陽極池中會發生產電呼吸代謝,即通過呼吸代謝過程產生電子、質子及代謝產物。微生物的代謝途徑決定電子與質子的流量,它與底物有關,而陽極電勢也對它起著決定性作用。
陽極電勢較高時,微生物經呼吸鏈進行代謝,電子和質子通過NADH還原酶、輔酶Q及細胞色素進行傳遞;陽極電勢較低,且存在硫酸鹽等其他電子受體時,電子會在這些電子受體上累積,而不與陽極反應;當不存在硫酸鹽、硝酸鹽和其他電子受體時,微生物主要進行發酵,代謝過程也會釋放少量電能,同時醋酸等發酵產物可被某些微生物繼續代謝,釋放電子。
2.1.2 陽極微生物
陽極微生物的種類決定陽極的電子傳遞方式,如表1所示。理論上各種微生物均可用于MFC,但由于細胞壁中的肽鍵等不良導體的阻礙,大多數微生物產生的電子不能傳出體外,因而不具有直接的電化學活性。通常采用添加可溶性氧化還原介體作為電子傳遞中間體的方法,實現電子由細胞內傳遞至陽極表面。此類MFC稱為間接MFC(或有介體MFC),其工業化應用由于介體大多有毒、易流失、價格較高而受到很大阻礙[2,7]。
微生物通過代謝活動能產生一些自身生長和繁殖所必需的物質,如氨基酸、核苷酸等,這些物質稱為微生物的初級代謝產物。一些微生物能以產生的H2、H2S等初級代謝產物作為氧化還原介體,例如Harbermann等設計出利用Desulfovibrio desulfurcan菌種生成的硫化物作為介體的微生物燃料電池。該系統不經任何維護連續可運行5年,其電池反應如下[1]:
2+2H2O→2CO2+8H?++8e?-
代表有機燃料
SO?2-4+8H?++8e?-→S?2-+4H2O
陽極反應:S?2-+4H2O→SO?2-4+8H?++8e?-或8/3S?2-+4H2O→4/3S2O?2-3+8H?++8e?-
陰極反應:2O2+8H?++8e?-→4H2O
有一些微生物(如綠膿桿菌)自身能生成易還原的次級代謝產物,影響電子傳遞。次級代謝產物指以初級代謝產物為前體合成的,對微生物的生命活動無明確功能的物質。
近年來,研究者發現了多種不需介體就可將代謝產生的電子通過細胞膜直接傳遞到電極表面的微生物——產電微生物。此類微生物以位于細胞膜上的細胞色素或自身分泌的醌類物質作為電子載體,將電子由細胞內傳遞至電極上,這種MFC稱為直接MFC(或無介體MFC)。
2.2 陽極還原[2,8]
陽極還原指電子由微生物細胞內傳遞至陽極表面,是電池產電的關鍵步驟,也是制約產電性能的主要因素之一。常見的陽極電子傳遞方式主要有4種:直接接觸傳遞、納米導線輔助遠距離傳遞、電子穿梭傳遞和初級代謝產物原位氧化傳遞。前2種屬于生物膜機制,后2種屬于電子穿梭機制。2種機制可能同時存在,協同作用,促進產電過程。
A直接接觸 B納米導線 C氧化還原介體?D還原態初級代謝產物原位氧化
圖2 微生物燃料電池陽極電子傳遞機制示意圖
2.2.1 生物膜產電機制
生物膜產電機制指微生物在電極表面聚集形成膜,通過直接接觸或納米導線輔助作用而轉移電子。這是一種無介體電子傳遞機制。
直接接觸傳遞指與陽極表面接觸的產電微生物菌體可通過細胞膜外側的C型細胞色素,將呼吸鏈中電子的直接傳遞至電極表面,如圖2A所示。該方式只是緊靠電極表面的一單層微生物可傳遞電子給電極,因此電池性能受限于電極表面這一單層微生物的最大細菌濃度。
近期研究表明,某些細菌的細胞表面存在一種可導電的納米級纖毛或菌毛,起到電子導管的作用,依靠這些納米導線輔助,可進行遠距離電子傳遞。這些表面纖毛的一端與細胞外膜相連,另一端與電極表面直接接觸,將細胞外膜上的電子傳遞至電極表面,實現電子轉移,如圖2B所示。這些菌毛可使電子傳遞到離細胞表面更遠處,進行較遠距離的電子傳遞,從而可形成較厚的具有產電活性的生物膜,提高電池性能。
2.2.2 電子穿梭產電機制
電子穿梭產電機制指微生物利用外加或自身分泌的電子穿梭體(氧化還原介體),將代謝產生的電子轉移至電極表面。根據介體的不同,有介體電子傳遞可分外源介體的有介體電子傳遞、還原態初級代謝產物原位氧化傳遞、微生物次級代謝物為介體的電子傳遞。
外源介體的有介體電子傳遞過程如圖2C所示。底物在微生物作用下被氧化,進入微生物細胞內并處于氧化態的介體捕獲釋放出的電子而被還原,處于還原態的介體被微生物排泄出體外,在陽極表面失去電子被氧化,從而將電子傳遞到電極上。
自身可分泌具有電子傳遞功能的氧化還原介體的微生物,主要將代謝物作為介體來進行電子傳遞。其中,以次級代謝物為介體進行電子傳遞的MFC,消除了添加外源介體帶來的各種問題,引起特別關注,其傳遞過程也可用圖2C表示。在微生物體內分泌產生的氧化態次級代謝物作為可逆的末端電子受體,將電子傳遞至細胞外,在陽極表面發生電子轉移,還原態介體重新被氧化,進入下一氧化還原過程。另有一些微生物能以代謝過程中產生的如H2、H2S等初級代謝產物作為氧化還原介體進行電子傳遞,如圖2D所示。作為陽極氧化的還原劑,初級代謝物介體需要滿足一些條件,即氧化還原電勢應較低,但不能低于底物的氧化電勢,且在MFC中易于電化學氧化。
微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化反應將化學能直接轉化為電能的裝置,其基本構造與普通燃料電池類似,如圖1所示。微生物燃料電池的陽極通常選用導電性能較好的石墨、碳布和碳紙等材料,陰極則大多使用載鉑碳材料。保持陽極池無氧,陰極池有氧,兩池之間的陽離子半透膜使H?+自由通過,氧氣不能通過。連接兩極的外電路中串聯電阻器或其他電子設備[1~3]。
圖1 微生物燃料電池構造示意圖
與傳統燃料電池不同的是,微生物燃料電池的陽極反應是靠微生物催化氧化有機物(底物)而產生電子和質子。電子通過導線傳遞到陰極,質子通過半透膜滲入陰極池。陰極池中,氧氣、質子、電子反應生成水。常用葡萄糖作為底物,反應如下[4]:
陽極反應:C6H12O6+6H2O→6CO2+24e?-+24H?+
陰極反應:6O2+24e?-+24H?+→12H2O
電池反應:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
2 微生物燃料電池的產電機制
微生物燃料電池的產電過程可分解為5個步驟:(1)底物生物氧化:陽極池中,底物在微生物作用下被氧化,產生電子、質子及代謝產物;(2)產生的電子從微生物細胞傳遞至陽極表面;(3)電子經外電路傳輸至陰極;(4)產生的質子穿過半透膜,從陽極池遷移至陰極池,到達陰極表面;(5)陰極池中,電子受體(如氧氣等)與遷移來的質子和電子在陰極表面發生還原反應。通常,前2個步驟是限速步驟,即電子的產生與傳遞效率是影響MFC輸出功率的最重要因素[2,5]。
2.1 底物生物氧化
2.1.1 產電呼吸代謝[5,6]
微生物在無氧的陽極池中會發生產電呼吸代謝,即通過呼吸代謝過程產生電子、質子及代謝產物。微生物的代謝途徑決定電子與質子的流量,它與底物有關,而陽極電勢也對它起著決定性作用。
陽極電勢較高時,微生物經呼吸鏈進行代謝,電子和質子通過NADH還原酶、輔酶Q及細胞色素進行傳遞;陽極電勢較低,且存在硫酸鹽等其他電子受體時,電子會在這些電子受體上累積,而不與陽極反應;當不存在硫酸鹽、硝酸鹽和其他電子受體時,微生物主要進行發酵,代謝過程也會釋放少量電能,同時醋酸等發酵產物可被某些微生物繼續代謝,釋放電子。
2.1.2 陽極微生物
陽極微生物的種類決定陽極的電子傳遞方式,如表1所示。理論上各種微生物均可用于MFC,但由于細胞壁中的肽鍵等不良導體的阻礙,大多數微生物產生的電子不能傳出體外,因而不具有直接的電化學活性。通常采用添加可溶性氧化還原介體作為電子傳遞中間體的方法,實現電子由細胞內傳遞至陽極表面。此類MFC稱為間接MFC(或有介體MFC),其工業化應用由于介體大多有毒、易流失、價格較高而受到很大阻礙[2,7]。
微生物通過代謝活動能產生一些自身生長和繁殖所必需的物質,如氨基酸、核苷酸等,這些物質稱為微生物的初級代謝產物。一些微生物能以產生的H2、H2S等初級代謝產物作為氧化還原介體,例如Harbermann等設計出利用Desulfovibrio desulfurcan菌種生成的硫化物作為介體的微生物燃料電池。該系統不經任何維護連續可運行5年,其電池反應如下[1]:
2+2H2O→2CO2+8H?++8e?-
代表有機燃料
SO?2-4+8H?++8e?-→S?2-+4H2O
陽極反應:S?2-+4H2O→SO?2-4+8H?++8e?-或8/3S?2-+4H2O→4/3S2O?2-3+8H?++8e?-
陰極反應:2O2+8H?++8e?-→4H2O
有一些微生物(如綠膿桿菌)自身能生成易還原的次級代謝產物,影響電子傳遞。次級代謝產物指以初級代謝產物為前體合成的,對微生物的生命活動無明確功能的物質。
近年來,研究者發現了多種不需介體就可將代謝產生的電子通過細胞膜直接傳遞到電極表面的微生物——產電微生物。此類微生物以位于細胞膜上的細胞色素或自身分泌的醌類物質作為電子載體,將電子由細胞內傳遞至電極上,這種MFC稱為直接MFC(或無介體MFC)。
2.2 陽極還原[2,8]
陽極還原指電子由微生物細胞內傳遞至陽極表面,是電池產電的關鍵步驟,也是制約產電性能的主要因素之一。常見的陽極電子傳遞方式主要有4種:直接接觸傳遞、納米導線輔助遠距離傳遞、電子穿梭傳遞和初級代謝產物原位氧化傳遞。前2種屬于生物膜機制,后2種屬于電子穿梭機制。2種機制可能同時存在,協同作用,促進產電過程。
A直接接觸 B納米導線 C氧化還原介體?D還原態初級代謝產物原位氧化
圖2 微生物燃料電池陽極電子傳遞機制示意圖
2.2.1 生物膜產電機制
生物膜產電機制指微生物在電極表面聚集形成膜,通過直接接觸或納米導線輔助作用而轉移電子。這是一種無介體電子傳遞機制。
直接接觸傳遞指與陽極表面接觸的產電微生物菌體可通過細胞膜外側的C型細胞色素,將呼吸鏈中電子的直接傳遞至電極表面,如圖2A所示。該方式只是緊靠電極表面的一單層微生物可傳遞電子給電極,因此電池性能受限于電極表面這一單層微生物的最大細菌濃度。
近期研究表明,某些細菌的細胞表面存在一種可導電的納米級纖毛或菌毛,起到電子導管的作用,依靠這些納米導線輔助,可進行遠距離電子傳遞。這些表面纖毛的一端與細胞外膜相連,另一端與電極表面直接接觸,將細胞外膜上的電子傳遞至電極表面,實現電子轉移,如圖2B所示。這些菌毛可使電子傳遞到離細胞表面更遠處,進行較遠距離的電子傳遞,從而可形成較厚的具有產電活性的生物膜,提高電池性能。
2.2.2 電子穿梭產電機制
電子穿梭產電機制指微生物利用外加或自身分泌的電子穿梭體(氧化還原介體),將代謝產生的電子轉移至電極表面。根據介體的不同,有介體電子傳遞可分外源介體的有介體電子傳遞、還原態初級代謝產物原位氧化傳遞、微生物次級代謝物為介體的電子傳遞。
外源介體的有介體電子傳遞過程如圖2C所示。底物在微生物作用下被氧化,進入微生物細胞內并處于氧化態的介體捕獲釋放出的電子而被還原,處于還原態的介體被微生物排泄出體外,在陽極表面失去電子被氧化,從而將電子傳遞到電極上。
自身可分泌具有電子傳遞功能的氧化還原介體的微生物,主要將代謝物作為介體來進行電子傳遞。其中,以次級代謝物為介體進行電子傳遞的MFC,消除了添加外源介體帶來的各種問題,引起特別關注,其傳遞過程也可用圖2C表示。在微生物體內分泌產生的氧化態次級代謝物作為可逆的末端電子受體,將電子傳遞至細胞外,在陽極表面發生電子轉移,還原態介體重新被氧化,進入下一氧化還原過程。另有一些微生物能以代謝過程中產生的如H2、H2S等初級代謝產物作為氧化還原介體進行電子傳遞,如圖2D所示。作為陽極氧化的還原劑,初級代謝物介體需要滿足一些條件,即氧化還原電勢應較低,但不能低于底物的氧化電勢,且在MFC中易于電化學氧化。