生物电池.ppt

生物电池生物电池小组成员：小组成员：XXXXXXXXXXXX简介分类工作原理发展前景用途目录1生物电池的基本概念燃料电池（fuel cell）：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。生物燃料电池（biofuel cell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。生物燃料电池的特点生物燃料电池的特点：原料来源广泛；操作条件温和；生物相容性好；生物燃料电池结构比较简单；生物电生物电池池 普普通电池通电池生物电池分类场所单步反应形多步反应形细胞形来源酶电池微生物2生物原料电池的分类按场所的不同按场所的不同1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体内”，“于生物体外”以及“与生物体细胞外”。按催化剂的来源按催化剂的来源1、微生物电池微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。基本反应类型分为四步：1)在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。2)介体捕获电子并将其运送至阳极。3)电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。4)氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。阳极反应：C6H12O6+6H2O6CO2+24H+24e阴极反应：6O2+24H+24e-12H2O按催化剂的来源按催化剂的来源2、酶电池酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酶，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。阳极反应：葡萄糖葡萄糖酸+2H+2e-阴极反应：H2O2+2H+2e-2H2O普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。3生物原料电池的工作原理生物电池的阳极由嗜糖酶和介质组成，阴极由释氧酶和介质组成，两极都有一层玻璃纸隔离膜。阳极通过如下的酶氧化反应从糖（葡萄糖）中分解出电子和氢离子：葡萄糖葡萄糖酸+2 H+2e-氢离子通过隔离膜流到阴极，氢离子和电子与空气中的氧结合，生成水：(1/2)O2+2 H+2e-H2O通过这一电化学反应过程，电子经过外围电路，产生了电。生物电池工作时，是将燃料的化学能转化为容易进行电化学反应的形式。有如下两种方法：一是用酶氧化燃料，所得的酶反应生成物再进行电极反应的方式（电子传递系统不配对的体系）二是用具有辅酶的酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原的辅酶再在电极上进行氧化的方式（电子传递系统配结的体系）。MFC，英文全称为microbial fuel cell，是以微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置。主要分为双室MFC和单室MFC。双室MFC由阳极区和阴极区组成，中间用质子交换膜分开。而单室MFC即省去了阴极区，阳极和阴极在同一个室内工作。在质子膜燃料电池（在质子膜燃料电池（MFC）实际工作条件下）实际工作条件下微生物燃料电池（微生物燃料电池（MFC）的基本工作原理）的基本工作原理PEM负载负载阳极室阳极室阴极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物有机物微生物微生物 有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生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，与电子受体到达阴极，与电子受体（氧气）反应生成（氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：水。其阳极和阴极反应式如下所示：阳极反应：阳极反应：(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阴极反应：阴极反应：4e-O24H+2H2O生物电池较传统燃料电池的优势1、它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转换效率率。2、不同于现有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。3、生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化塘。4、生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体5、在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。生物电池与普通电池的比较转换效效率率工作条工作条件件主要来主要来源源环境境污染染使用情使用情况况应用前用前景景价格价格生物电池完全要求低微生物 植物基本无污染很少广阔昂贵普通电池不完全（且不能循环使用）常温金属材料污染厉害难以回收普遍很局限低廉4生物电池的应用生物电池机器人汽车燃料污水处理人体能量燃料结构燃料结构 使用生物燃料电池，1L糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶25-30Km，如果汽车的油箱为50L的话，装满后可连续行驶1000Km而不需要再补充能源。这样，一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的空气污染问题，另一方面还可避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至是爆炸。生物燃料电池汽车生物燃料电池汽车污水处理污水处理 2005年，美国宾夕法尼亚的研究小组宣布，已成功研制一种新型的微生物电池。可以将未处理过的污水，通过微生物降解，转变为清洁的水和电能。微生物电池微生物电池能量支持能量支持2005年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量、为心脏起搏器提供能量。生物电池起搏器生物电池起搏器机器人应用机器人应用2001年，英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为“Slugbot”的机器人，用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中，在酶的作用下将其转化为电能。Slugbot机器人机器人在 化石燃料日趋紧张、环境污染越来越严重的今天，生物燃料电池以其良好的性能向我们展示了一个美好的发展前景。但不可否认的是，由于技术条件的制约，生物燃 料电池的研究利使用还处于不成熟阶段:电池的输出功率小、使用寿命短相对于同样大小的锂电池或干电池，生物电池所产生的电能过低。由此导致生物燃料电池的使用范围非常狭小，远没有达到全面推广的时期。为生物电池能够更快地得到广泛应用，科学家们正在不断努力：5生物电池的发展前景1、开发无介体生物燃料电池有一类铁还原性微生物，由于其细胞膜上有丰富的细胞色素，表现出较强的电化学活性，在生物电池中能直接将电子转移至 阳极而不需要借助任何介体。根据研究，Rhodoferax、ferrireduler和Geobacter-aceae种群的微生物都具有这种功能，它们在电池内发生的反应可表示为：C6H12O6+6H2O+24Fe6CO2+24Fe+24H+24e-（铁作为催化剂）无介体生物燃料电池的优点主要表现为有充足的空间，有利于提高电子转移的效率和速率。2、加强对电极的修饰学者Derek R.Lovely等用石墨毡和石墨制成的泡沫代替碳棒作为电池的阳极，研究发现电池的电能输出大大增加，约为原来的三倍。说明增大电极的表面积可以增大吸附在电极表面的微生物和酶的密度，从而增加电量的输出。Zhen He等在微生物燃料电池中用微生物来修饰阴极，加快了氧气的还原反应速率，极大地提高了电池输出的电流密度。3、选择合适的质子交换膜质子交换膜能够有效地维持电池两极室内酸碱度的平衡，保证电池反应的正常进行。Liu和Logan在电池的设计中取消了质子交换膜，结果发现电池的库仑输出效率由55%降到了2%;Min et al研究发现如果氧气由阴极室进入阳极室，电池的库仑输出效率会从55%降至19%这说明质子交换膜的质量好坏关系到生物燃料电池的性能，选择合适的质子交换膜，增强质子的穿透性而降低氧气的扩散成为了生物燃料电池开发中的一个重要环节。4、开发光化学生物燃料电池利用光合细菌或藻类吸收太阳光，并将其转化成电能的装置称为光化学生物燃料电池。科学家曾设计出这样的一种电池:用石墨作阳极，阳极室由有项圈藻和可溶性奎宁介体;阴极也为石墨电极，电解质溶液为铁氰化钾。把这种电池先放在阳光下光照10小时，然后在黑暗的环境中放置10小时，发现可产生1mA的电流(外电路电阻为500)，只不过光子转化成电子的效率只有0.2%。后来人们又用Synechococcus细菌来代替项圈藻，发现转化率可提高到3.3%。结论 生物学对生命现象的揭示，为生物电池的研制提供很多启发，生物技术的发展，又为改进生物电池，提高效能提供多种技术手段。环境状况的恶化及能源需求的变化，促使人们对生物电池重新认识和评价。因此加强生物电池的研究开发，对生物电学的基础理论及相关技术的研究具有推动作用，对解决环境与能源问题具有重要意义。生物电池的应用环境保护环境保护医药卫生医药卫生Thank YouThank You