生物电池专题知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物电池生物电池小组组员：小组组员：XXXXXXXXXXXX第1页简介分类工作原理发展前景用途目录第2页1生物电池基本概念燃料电池（fuel cell）：一个将储存在燃料和氧化剂中化学能连续不停地转化成电能电化学装置。生物燃料电池（biofuel cell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料化学能转化为电能发电装置。第3页生物燃料电池特点生物燃料电池特点：原料起源广泛；操作条件温和；生物相容性好；生物燃料电池结构比较简单；第4页 生物电生物电池池 普普通电池通电池第5页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生物原料电池分类第6页按场所不一样按场所不一样1、单步反应型生物电池，指利用生物体内氧化还原物质发生氧化还原反应制成生物电池。2、多步反应型生物电池，指生物体外氧化还原物质发生氧化还原反应制成生物电池。3、细胞型生物电池，指生物体细胞外氧化还原物质发生氧化还原反应制成生物电池。它们主要差异是反应场所不一样。分别是“于生物体内”，“于生物体外”以及“与生物体细胞外”。第7页按催化剂起源按催化剂起源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)在微生物作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。2)介体捕捉电子并将其运输至阳极。3)电子经外电路抵达阴极，质子经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第8页按催化剂起源按催化剂起源2、酶电池酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理以下：葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶作用下失去电子被氧化成葡萄糖酶，电子由介体运输至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过氧化酶作用下还原成水。阳极反应：葡萄糖葡萄糖酸+2H+2e-阴极反应：H2O2+2H+2e-2H2O普遍使用以葡萄糖为燃料酶电池是模仿线粒体反应机构而制成，线粒体是以葡萄糖为燃料酶电池理想模型。第9页3生物原料电池工作原理生物电池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。阳极经过以下酶氧化反应从糖（葡萄糖）中分解出电子和氢离子：葡萄糖葡萄糖酸+2 H+2e-氢离子经过隔离膜流到阴极，氢离子和电子与空气中氧结合，生成水：(1/2)O2+2 H+2e-H2O经过这一电化学反应过程，电子经过外围电路，产生了电。第10页生物电池工作时，是将燃料化学能转化为轻易进行电化学反应形式。有以下两种方法：一是用酶氧化燃料，所得酶反应生成物再进行电极反应方式（电子传递系统不配正确体系）二是用含有辅酶酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原辅酶再在电极上进行氧化方式（电子传递系统配结体系）。第11页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化学能转化为电能装置。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）实际工作条件下第12页微生物燃料电池（微生物燃料电池（MFC）基本工作原理）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阳极室中被微生物有机物作为燃料在厌氧阳极室中被微生物氧化，产生电子被微生物捕捉并传递给电池氧化，产生电子被微生物捕捉并传递给电池阳极，电子经过外电路抵达阴极，从而形成阳极，电子经过外电路抵达阴极，从而形成回路产生电流，而质子经过质子交换膜抵达回路产生电流，而质子经过质子交换膜抵达阴极，与电子受体阴极，与电子受体（氧气）反应生成水。（氧气）反应生成水。其阳极和阴极反应式以下所表示：其阳极和阴极反应式以下所表示：阳极反应：阳极反应：(CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阴极反应：阴极反应：4e-O24H+2H2O第13页第14页生物电池较传统燃料电池优势1、它将底物直接转化为电能，确保了含有高能量转换效率率。2、不一样于现有生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温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，因为它所产生废气主要组分是二氧化塘。4、生物燃料电池含有生物相容性，利用人体内葡萄糖和氧为原料生物燃料电池能够直接植入人体5、在缺乏电力基础设施局部地域，生物燃料电池含有广泛应用潜力。第15页生物电池与普通电池比较转换效效率率工作条工作条件件主要起主要起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 植物基本无污染极少辽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第16页4生物电池应用生物电池机器人汽车燃料污水处理人体能量第17页燃料结构燃料结构 使用生物燃料电池，1L糖类物质（葡萄糖等）浓溶液氧化产生电能可提供一辆中型汽车行驶25-30Km，如果汽车油箱为50L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空气污染问题，其次还可防止因发生交通事故而引发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第18页污水处理污水处理 ，美国宾夕法尼亚研究小组宣告，已成功研制一个新型微生物电池。能够将未处理过污水，经过微生物降解，转变为清洁水和电能。微生物电池微生物电池第19页能量支持能量支持，日本东北大学研究小组新开发出一个利用血液中糖分发电生物电池。这么生物电池可为植入糖尿病患者体内测定血糖值装置提供充分电量、为心脏起搏器提供能量。生物电池起搏器生物电池起搏器第20页机器人应用机器人应用，英国西英格兰大学科学家们研制出了一个名为“Slugbot”机器人，用于搜捕危害种植业鼻涕虫放在一容器中，在酶作用下将其转化为电能。Slugbot机器人机器人第21页在 化石燃料日趋担心、环境污染越来越严重今天，生物燃料电池以其良好性能向我们展示了一个美好发展前景。但不可否定是，因为技术条件制约，生物燃 料电池研究利使用还处于不成熟阶段:电池输出功率小、使用寿命短相对于一样大小锂电池或干电池，生物电池所产生电能过低。由此造成生物燃料电池使用范围非常狭小，远没有到达全方面推广时期。为生物电池能够更加快地得到广泛应用，科学家们正在不停努力：5生物电池发展前景第22页1、开发无介体生物燃料电池有一类铁还原性微生物，因为其细胞膜上有丰富细胞色素，表现出较强电化学活性，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。依据研究，Rhodoferax、ferrireduler和Geobacter-aceae种群微生物都含有这种功效，它们在电池内发生反应可表示为：C6H12O6+6H2O+24Fe6CO2+24Fe+24H+24e-（铁作为催化剂）无介体生物燃料电池优点主要表现为有充分空间，有利于提升电子转移效率和速率。第23页2、加强对电极修饰学者Derek R.Lovely等用石墨毡和石墨制成泡沫代替碳棒作为电池阳极，研究发觉电池电能输出大大增加，约为原来三倍。说明增大电极表面积能够增大吸附在电极表面微生物和酶密度，从而增加电量输出。Zhen He等在微生物燃料电池中用微生物来修饰阴极，加紧了氧气还原反应速率，极大地提升了电池输出电流密度。第24页3、选择适当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平衡，确保电池反应正常进行。Liu和Logan在电池设计中取消了质子交换膜，结果发觉电池库仑输出效率由55%降到了2%;Min et al研究发觉假如氧气由阴极室进入阳极室，电池库仑输出效率会从55%降至19%这说明质子交换膜质量好坏关系到生物燃料电池性能，选择适当质子交换膜，增强质子穿透性而降低氧气扩散成为了生物燃料电池开发中一个主要步骤。第25页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，并将其转化成电能装置称为光化学生物燃料电池。科学家曾设计出这么一个电池: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，然后在黑暗环境中放置10小时，发觉可产生1mA电流(外电路电阻为500)，只不过光子转化成电子效率只有0.2%。以后人们又用Synechococcus细菌来代替项圈藻，发觉转化率可提升到3.3%。第26页结论 生物学对生命现象揭示，为生物电池研制提供很多启发，生物技术发展，又为改进生物电池，提升效能提供各种技术伎俩。环境情况恶化及能源需求改变，促使人们对生物电池重新认识和评价。所以加强生物电池研究开发，对生物电学基础理论及相关技术研究含有推进作用，对处理环境与能源问题含有主要意义。第27页生物电池应用环境保护环境保护医药卫生医药卫生第28页Thank YouThank You第29页