微生物燃料电池的结构.pptx

第第2 2章章 微生物燃料电微生物燃料电池结构池结构李永峰李永峰 教授教授目录目录间接间接间接间接MFCMFC和直接和直接和直接和直接MFCMFC微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述五种结构不同的五种结构不同的五种结构不同的五种结构不同的MFCMFC不同阴极不同阴极不同阴极不同阴极MFCMFC1 12 23 34 42.12.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述l虽然同时满足功率、效率、稳定性和寿命要求的反应器仍在设虽然同时满足功率、效率、稳定性和寿命要求的反应器仍在设计中，但我们现在已经知道将计中，但我们现在已经知道将石墨刷电极和管状浸入式阴极石墨刷电极和管状浸入式阴极共共同使用能提高性能而且具有经济性。然而到目前为止，这种反同使用能提高性能而且具有经济性。然而到目前为止，这种反应器尚未在中试和大规模实验中使用。因此，未来最终应用在应器尚未在中试和大规模实验中使用。因此，未来最终应用在大型系统中的材料和最终的大型系统中的材料和最终的MFC设计仍是未经验证的。设计仍是未经验证的。设计设计材料材料很多种材料已经在很多种材料已经在MFC中得到中得到应用，但这些材料是被如何加应用，但这些材料是被如何加工、安装并应用到最终的系统工、安装并应用到最终的系统中，即反应器构型，最终都会中，即反应器构型，最终都会决定系统在功率输出、库仑效决定系统在功率输出、库仑效率、稳定性以及使用寿命上有率、稳定性以及使用寿命上有什么样的表现什么样的表现一一个好的设计不仅要具有个好的设计不仅要具有高功率、高库仑效率，而且高功率、高库仑效率，而且要保证原料提供的经济性和要保证原料提供的经济性和实际应用于大型系统时工艺实际应用于大型系统时工艺的经济性的经济性2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述l微生物燃料电池有很多种分类方法，按电池的组装结构、微生物燃料电池有很多种分类方法，按电池的组装结构、电子转移方式的不同、是否使用质子交换膜及微生物特点电子转移方式的不同、是否使用质子交换膜及微生物特点可以有多种分类方式：可以有多种分类方式：l从电池的组装和结构上可以将微生物燃料电池分从电池的组装和结构上可以将微生物燃料电池分为单室型，双室型和为单室型，双室型和“三合一三合一”型型MFC。PEM电电极极负载电负载电阻阻电极电极阳极阳极电极电极阴极阴极V图图2.2.2 典型双室典型双室MFC结构示意图结构示意图双室双室MFC的最大特点就是在阳极和阴极之间使用的最大特点就是在阳极和阴极之间使用了膜（了膜（PEM），因此根据这一原理和特征，可以），因此根据这一原理和特征，可以设计出各种不同形式的设计出各种不同形式的MFC反应器。两室型反应器。两室型MFC又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述l单室单室MFCMFC的阴极和阳极在同一反应室，阴极和的阴极和阳极在同一反应室，阴极和PEMPEM直接压在一起。直接压在一起。l单室单室MFCMFC的优点的优点是阳极和阴极距离较近，阴极传质速率得到了提高，是阳极和阴极距离较近，阴极传质速率得到了提高，因无需曝气而降低了运行费用，占地小，结构简单，可以通过去除质因无需曝气而降低了运行费用，占地小，结构简单，可以通过去除质子交换膜而进一步提高子交换膜而进一步提高MFCMFC的电能输出。的电能输出。l“三合一三合一”型型MFCMFC是一种将阳极、质子交换膜和阴极结合在一是一种将阳极、质子交换膜和阴极结合在一起的新型微生物燃料电池，它可以在较大程度上降低起的新型微生物燃料电池，它可以在较大程度上降低MFCMFC的内阻，提的内阻，提高高MFCMFC的输出功率。的输出功率。l研究者实验结果表明，研究者实验结果表明，“三合一三合一”型型MFCMFC的内阻仅为的内阻仅为1030 1030，远远，远远低于其他形式的低于其他形式的MFCMFC，最大输出功率密度可以达到，最大输出功率密度可以达到300mWm300mWm-2-2。2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述按按MFC的阴的阴极是否具有生极是否具有生物活性分类根物活性分类根据阴极是否具据阴极是否具有生物活性，有生物活性，MFC可划分为可划分为两大类：两大类：生物型阴极生物型阴极的优点：以微生物取代金属催的优点：以微生物取代金属催化剂，可以显著降低化剂，可以显著降低MFC建造成本；生物建造成本；生物阴极能够避免出现催化剂污染等现象，增阴极能够避免出现催化剂污染等现象，增加了加了MFC运行稳定性；利用微生物的代谢运行稳定性；利用微生物的代谢作用可以去除水中的多种污染物作用可以去除水中的多种污染物非生物阴极型非生物阴极型MFC：利用化学催化剂完利用化学催化剂完成电子向最终电子受体的传递。目前，成电子向最终电子受体的传递。目前，使用最广泛的催化剂是使用最广泛的催化剂是Pt2.1微生物燃料电池结构概述微生物燃料电池结构概述间接微生物间接微生物燃料电池燃料电池直接微生物直接微生物燃料电池燃料电池阳极侧燃料在电阳极侧燃料在电解液中或其它地解液中或其它地方反应并释放出方反应并释放出电子，释放出的电子，释放出的电子则由氧化还电子则由氧化还原介体运载传递原介体运载传递到电极表面上，到电极表面上，实现电子的转移实现电子的转移燃料则在阳极表燃料则在阳极表面微生物细胞内面微生物细胞内直接氧化，产生直接氧化，产生的电子直接转移的电子直接转移到电极上，不需到电极上，不需要添加任何的电要添加任何的电子介体子介体按阳极侧电子转移按阳极侧电子转移方式的不同，微生物方式的不同，微生物燃料电池可分为燃料电池可分为两种两种2.2 五种结构不同的五种结构不同的MFC上流式上流式MFC双室双室H型型MFC平板式平板式MFC双筒型微生物燃料电池双筒型微生物燃料电池串联型串联型MFC1.上流式上流式MFCl上流式上流式MFCMFC由由UASBUASB反应器改造得反应器改造得来（如图来（如图2.32.3所示），结合所示），结合UASBUASB与与MFCMFC的优点发展形成。的优点发展形成。l升流式升流式MFC(UAMFC)MFC(UAMFC)结构简单、结构简单、体积负荷高、可以使培养液与体积负荷高、可以使培养液与微生物充分混合，更适合与污微生物充分混合，更适合与污水处理工艺偶联。水处理工艺偶联。图图2.32.3 上流式上流式MFC图图1.上流式上流式MFC优点优点缺点缺点（1）由于使用无膜空气阴）由于使用无膜空气阴极，空气能够以很高的速极，空气能够以很高的速率向阳极内扩散，导致库率向阳极内扩散，导致库仑效率有所降低；（仑效率有所降低；（2）阴）阴极表面负载昂贵的极表面负载昂贵的Pt作为作为催化剂来催化氧气的电化催化剂来催化氧气的电化学还原，增加了系统的总学还原，增加了系统的总造价；（造价；（3）一旦长期运行，）一旦长期运行，阴极表面会生长微生物，阴极表面会生长微生物，导致电池的功率衰减和内导致电池的功率衰减和内阻增加阻增加（1 1）使用活性碳颗粒作为）使用活性碳颗粒作为阳极，不仅增大了生物膜的阳极，不仅增大了生物膜的附着面积，提高生物量，还附着面积，提高生物量，还大大降低了材料造价；（大大降低了材料造价；（2 2）阴极面积大，降低了反应的阴极面积大，降低了反应的过电位；（过电位；（3 3）阳极和阴极之）阳极和阴极之间用筛网分隔，阴极裹在阳间用筛网分隔，阴极裹在阳极周围，阳极和阴极之间的极周围，阳极和阴极之间的距离达到最小，电池内阻降距离达到最小，电池内阻降到最低；（到最低；（4 4）在运行过程中，）在运行过程中，采用连续升流式操作，更适采用连续升流式操作，更适合废水处理。合废水处理。实际上，实际上，UAMFC和传统的和传统的MFC相比，更适合废水处理的实际相比，更适合废水处理的实际应用。应用。UAMFC在设计上有别于已报道的在设计上有别于已报道的MFC，其优，其优缺点为缺点为:2.双室双室H型型MFClH H型型MFCMFC是当前研究中使用是当前研究中使用最多的形式，早期的大多最多的形式，早期的大多数数MFCMFC研究是在双室研究是在双室H H型型MFCMFC反应器中开展的。由于该反应器中开展的。由于该种反应器大多由中间夹有种反应器大多由中间夹有阳离子交换膜的两个带有阳离子交换膜的两个带有单臂的玻璃瓶组成，外观单臂的玻璃瓶组成，外观上很像字母上很像字母“H”H”，因此又，因此又被形象的成为被形象的成为“H H型型”MFCMFC（图（图2.42.4）。）。图图2.42.4 双室双室H型型MFC图图2.双室双室H型型MFCl双室双室H H型型MFCMFC由阳极室和阴极室两个极室构成，中由阳极室和阴极室两个极室构成，中间由阳离子交换膜隔开，保证了阳极电子供体和间由阳离子交换膜隔开，保证了阳极电子供体和阴极电子受体在空间上的独立性。阴极电子受体在空间上的独立性。l由于双室由于双室MFCMFC的密闭性较好，抗生物污染的能力较的密闭性较好，抗生物污染的能力较强，因此产电菌的分离及其性能测试的实验通常强，因此产电菌的分离及其性能测试的实验通常在双室在双室MFCMFC中进行。中进行。l 优点优点是容易组装，甚至使用矿泉水瓶都可以组是容易组装，甚至使用矿泉水瓶都可以组装简易的反应器。装简易的反应器。l 不足不足是隔膜带来的内阻以及电子受体是隔膜带来的内阻以及电子受体3.平板式平板式MFC(1)(1)整体结构设计整体结构设计(2)(2)流场结构型式设计流场结构型式设计将阴阳极和质子交换膜压在一起，并将其平放，可以将阴阳极和质子交换膜压在一起，并将其平放，可以使菌由于重力作用富集于阳极上，而且阴阳极间只有使菌由于重力作用富集于阳极上，而且阴阳极间只有质子交换膜，可以减少内电阻，从而增大输出功率质子交换膜，可以减少内电阻，从而增大输出功率流场板起着进料导流，均匀分配反应物及收集电流场板起着进料导流，均匀分配反应物及收集电流的重要功用流的重要功用,常用的流场型式有平行流场，蛇形常用的流场型式有平行流场，蛇形流场，交指形流场等流场，交指形流场等4.双筒型微生物燃料电池双筒型微生物燃料电池图图2.62.6双筒型双筒型 MFC 示意示意1.进水进水 2.出水出水 3.阴极阴极 4.质子交换膜质子交换膜 5.阳极阳极 6循环泵循环泵 7曝气系曝气系统统 8.可变电阻可变电阻 9.数据采集系统数据采集系统由圆筒形紧紧包围阳极由圆筒形紧紧包围阳极的隔膜和外层阴极室构的隔膜和外层阴极室构成。这种设计极大地缩成。这种设计极大地缩小了两极间距、增大了小了两极间距、增大了质子交换膜面积，因此质子交换膜面积，因此内阻只有内阻只有4 4.双筒型微生物燃料电池双筒型微生物燃料电池l填料型填料型MFCMFC可以增大可以增大MFCMFC产电能力，而以筒状质子膜作产电能力，而以筒状质子膜作为增大为增大MFCMFC内电流通道可以有效降低内电流通道可以有效降低MFCMFC的内阻，所以的内阻，所以又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。又基于筒状质子膜构建双筒型微生物燃料电池。表表2-1 2-1 种填料型种填料型 MFC MFC 结构及产电比较结构及产电比较项目项目 双筒型双筒型 填料型填料型内阻内阻/38 84/38 84质子膜密度质子膜密度/cm/cm-1-1 0.378 0.037 9 0.378 0.037 9质子膜面积质子膜面积/cm/cm2 2 148 29 148 29反应器体积反应器体积/mL 380 770/mL 380 770体积功率密度体积功率密度/mWm/mWm-3-3 6253 644 6253 644面积功率密度面积功率密度mWmmWm-2-2 161 170 161 1705.串联型串联型MFCl单个燃料电池产生的电量单个燃料电池产生的电量非常小，所以有些研究人非常小，所以有些研究人员已经尝试用多个独立的员已经尝试用多个独立的燃料电池串联起来可以提燃料电池串联起来可以提高产电量。高产电量。lAeltermanAelterman等人将等人将6 6个完全个完全相同的相同的MFCMFC通过串联或并联通过串联或并联的方式组合在一起（见图的方式组合在一起（见图2.72.7）底物消耗不均可能是导致电池电压逆转的主要原因。底物消耗不均可能是导致电池电压逆转的主要原因。微生物系统波动频繁，对产电有负面影响，可用二极管微生物系统波动频繁，对产电有负面影响，可用二极管减少反向电荷，避免电压逆转。减少反向电荷，避免电压逆转。2.3.1 2.3.1 间接间接MFCMFCl制约生物燃料电池输出功制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素率密度的最大因素是电子是电子传递过程。由于代谢产生传递过程。由于代谢产生的还原性物质被微生物的的还原性物质被微生物的膜与外界隔离，从而导致膜与外界隔离，从而导致微生物与电极之间的电子微生物与电极之间的电子传递通道受阻传递通道受阻l电子传递过程中添加介体，电子传递过程中添加介体，穿过封闭空间的薄膜进入穿过封闭空间的薄膜进入容器，把自由电子传输到容器，把自由电子传输到阳极（结构如图阳极（结构如图2.82.8所示）所示）图图 2.82.8间接生物燃料电池工作原理间接生物燃料电池工作原理2.3.1 2.3.1 间接间接MFCMFC间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池另一种是另一种是生物化学生物化学方法生产燃料方法生产燃料(如如发酵法生产氢、乙发酵法生产氢、乙醉等醉等)，再用这些，再用这些燃料供应给普通燃燃料供应给普通燃料电池料电池一种是电池中的燃一种是电池中的燃料被氧化后，产生料被氧化后，产生的电子要通过某种的电子要通过某种途径传递到电极上途径传递到电极上来来氧化还原介体应具备如下条件：氧化还原介体应具备如下条件：能通过细胞壁；能通过细胞壁；能能从细胞膜上的电子受体获取电子；从细胞膜上的电子受体获取电子；电极反应快；电极反应快；溶溶解度、稳定性等要好；解度、稳定性等要好；对微生物无毒；对微生物无毒；不能成为微不能成为微生物的食料生物的食料细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，电子难细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此微生物燃料电池大多需要氧化还原以穿过，因此微生物燃料电池大多需要氧化还原介体促进电子传递介体促进电子传递2.3.1 2.3.1 间接间接MFCMFCl一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化一些有机物和金属有机物可以用作微生物燃料电池的氧化还原介体，其中较为典型的是硫堇、还原介体，其中较为典型的是硫堇、FeFe（）EDTAEDTA和中性和中性红等。红等。l氧化还原介体的功能依赖于电极反应的动力学参数，其中氧化还原介体的功能依赖于电极反应的动力学参数，其中最主要的是介体的氧化还原速率常数，而氧化还原速率常最主要的是介体的氧化还原速率常数，而氧化还原速率常数又主要与介体所接触的电极材料有关。数又主要与介体所接触的电极材料有关。l为了提高介体的氧化还原反应的速率，可以将两种介体适为了提高介体的氧化还原反应的速率，可以将两种介体适当混合使用，以期达到更佳的效果。当混合使用，以期达到更佳的效果。2.3.22.3.2直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池l直接微生物燃料电池是指燃料直接微生物燃料电池是指燃料直接在电极上氧化，电子直接直接在电极上氧化，电子直接由燃料转移到电极，也称为无由燃料转移到电极，也称为无介体介体MFCMFC，是指，是指MFCMFC中的细菌能中的细菌能分泌细胞色素、醒类等电子传分泌细胞色素、醒类等电子传递体，直接将新陈代谢过程中递体，直接将新陈代谢过程中产生的电子由细胞膜内转移到产生的电子由细胞膜内转移到电极。电极。l这种微生物燃料电池由于不需这种微生物燃料电池由于不需要投加电子中间介体，降低了要投加电子中间介体，降低了运行成本，已经成为当前的研运行成本，已经成为当前的研究重点。究重点。图图2.9 直接微生物燃料电池结构示意图直接微生物燃料电池结构示意图2.3.22.3.2直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池腐败希瓦菌腐败希瓦菌燃料电池燃料电池一种还原铁细一种还原铁细菌，在提供乳菌，在提供乳酸盐或氢之后，酸盐或氢之后，无需氧化还原无需氧化还原介质就能产生介质就能产生电电已知已知Geobacteraceae属的细菌可以属的细菌可以将电子传递给诸将电子传递给诸如如Fe(III)氧化物氧化物的固体电子受体的固体电子受体来维持生长。来维持生长。Geobacteraceae sulferreducens燃料电池燃料电池能够使糖类发能够使糖类发生代谢，将其生代谢，将其转化为电能，转化为电能，且转化效率高且转化效率高达达83Rhodoferax ferrireducens 燃料电池燃料电池近年来，人们陆续发现几种特殊的细菌，这类细菌可以在无氧化还原近年来，人们陆续发现几种特殊的细菌，这类细菌可以在无氧化还原介体存在的条件下，将电子传递给电极产生电流。另外，从废水或海介体存在的条件下，将电子传递给电极产生电流。另外，从废水或海底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。2.4不同阴极不同阴极MFCl阴极的反应特性是限制阴极的反应特性是限制MFC整体功率输出的瓶颈，整体功率输出的瓶颈，为了提高为了提高MFC的功率输出和整体效能，需要采取的功率输出和整体效能，需要采取一定的措施尽可能地降低阴极的某一种、两种或一定的措施尽可能地降低阴极的某一种、两种或三种损失三种损失l分为非生物阴极和生物阴极分为非生物阴极和生物阴极2.4.12.4.1非生物阴极非生物阴极过渡金属大环化合物过渡金属大环化合物Pt金属氧化物金属氧化物非生物型阴非生物型阴极常用的催极常用的催化剂主要有化剂主要有在碳在碳/石墨阴极中加入三价铁化合物石墨阴极中加入三价铁化合物（如铁氰化钾）会显著提高（如铁氰化钾）会显著提高MFC的电子传的电子传递性能和输出电压，可提高至递性能和输出电压，可提高至300W/m3。能在各自的氧化还原态能在各自的氧化还原态之间快速地转化之间快速地转化可以使可以使MFC的的产电性能提高产电性能提高近近4倍。但价格倍。但价格昂贵，极大地昂贵，极大地增加了增加了MFC的的成本，不适用成本，不适用于规模化应用于规模化应用2.4.12.4.1非生物阴极非生物阴极l(1)(1)贵金属贵金属PtPt催化剂催化剂l贵金属贵金属PtPt催化剂是公认的对燃料电池阴极氧还原具有催化剂是公认的对燃料电池阴极氧还原具有高活性、高能效的催化剂。高活性、高能效的催化剂。l2020世纪世纪6060年代初，年代初，PtPt作为燃料电池阴极主要催化剂，作为燃料电池阴极主要催化剂，但其昂贵的价格，大大提高了但其昂贵的价格，大大提高了MFCMFC的生产和制造成本，的生产和制造成本，这使得降低催化剂表面这使得降低催化剂表面PtPt的载量成为了人们研究的一的载量成为了人们研究的一个热点个热点l将将PtPt载到高比表面积的活性炭上、表面镀载到高比表面积的活性炭上、表面镀PtPt的石墨电的石墨电极做阴极、电沉积极做阴极、电沉积PtPt催化剂电极催化剂电极2.4.12.4.1非生物阴极非生物阴极（2）过度金属大环化合物催化剂）过度金属大环化合物催化剂过渡金属大环化合物对氧还原的电催化活性和选择过渡金属大环化合物对氧还原的电催化活性和选择性，取决于中心金属元素的种类、前驱体化合物、性，取决于中心金属元素的种类、前驱体化合物、载体物质和热处理温度等因素载体物质和热处理温度等因素过渡金属酞菁化合物对氧还原的电催化活性过渡金属酞菁化合物对氧还原的电催化活性按按Fe、Co、Ni.、Cu的顺序依次减弱的顺序依次减弱价格贵，制备过程复杂，稳定性不好，可以在催化价格贵，制备过程复杂，稳定性不好，可以在催化剂合成方法以及催化剂修饰方法等方面开展研究剂合成方法以及催化剂修饰方法等方面开展研究2.4.12.4.1非生物阴极非生物阴极非生物型阴极虽然能显著提高非生物型阴极虽然能显著提高MFC的产电性能且应用较为广泛，但的产电性能且应用较为广泛，但其成本高、稳定性差、容易造成其成本高、稳定性差、容易造成催化剂污染催化剂污染（3）金属氧化物）金属氧化物来源广泛、价格低廉，也被广来源广泛、价格低廉，也被广泛应用于多种电池体系中，泛应用于多种电池体系中，后来人们把金属氧化物作为后来人们把金属氧化物作为MFC阴极催化剂进行研究。阴极催化剂进行研究。目前研究可作为目前研究可作为MFC阴极催阴极催化剂的金属氧化物主要有化剂的金属氧化物主要有PbO2和和MnO2等等。（4）其它催化剂）其它催化剂单元或多元的氧还原催单元或多元的氧还原催化剂也被报道：化剂也被报道：XC-72炭经炭经HNO3处理、处理、聚毗咯碳材料聚毗咯碳材料(Ppy/C)、碳纳米竹、碳纳米竹(CNT)2.4.22.4.2生物阴极生物阴极l生物阴极生物阴极MFC(BCMFC)MFC(BCMFC)以氧气为阴极电子受体，以好氧以氧气为阴极电子受体，以好氧微生物作为催化剂完成氧的催化还原，这些微生物能微生物作为催化剂完成氧的催化还原，这些微生物能够简单地从好氧污泥中获得，极大地提高了够简单地从好氧污泥中获得，极大地提高了MFCMFC在实在实际中的可应用性和可持续性。际中的可应用性和可持续性。l对于不同的电子受体，生物阴极型对于不同的电子受体，生物阴极型 MFCMFC的关注点不同，的关注点不同，以氧气为电子受体的以氧气为电子受体的MFCMFC主要关注于产电性能，而以主要关注于产电性能，而以硝酸盐为电子受体的硝酸盐为电子受体的MFCMFC更侧重于氮的去除效果。更侧重于氮的去除效果。2.4.2生物阴极生物阴极电子受体电子受体 构型构型 电子供体电子供体 总体积总体积 填料填料 最大功率密度最大功率密度 最大电流密度最大电流密度 库伦效率库伦效率(%)O2 两室型两室型 乙酸钠乙酸钠 0.96(L)石墨粒石墨粒 5.37(W/m3)24.1(A/m3)13 O2 两室型两室型 乙酸盐乙酸盐 0.638(L)石墨粒石墨粒 19.8(W/m3)59.3(A/m3)6595O2 筒状型筒状型 乙酸盐乙酸盐 0.183(L)石墨粒石墨粒 65(W/m3)188(A/m3)90MnO2 两室型两室型 葡萄糖葡萄糖 0.1095(m2)石墨石墨 126.7(mW/m2)0.0153(mA/cm2)Fe3+平板型平板型 乙酸盐乙酸盐 0.029(m2)碳毡碳毡 1200(mW/m2)0.44(mA/cm2)NO3-两室型两室型 乙酸钠乙酸钠 0.336(L)石墨粒石墨粒 9.39(W/m3)36.1(A/m3)52.1NO3-筒状型筒状型 乙酸盐乙酸盐 0.444(L)石墨粒石墨粒 1.50(W/m3)10.86(A/m3)NO3-两室型两室型 葡萄糖葡萄糖 0.753(m2)石墨石墨 1.7(mW/m2)15(mA/cm2)7不同的电子受体是影响产电最关键的因素，以氧气为电子不同的电子受体是影响产电最关键的因素，以氧气为电子受体的受体的MFC的最大功率密度远远大于以硝酸盐为电子受体的最大功率密度远远大于以硝酸盐为电子受体的的MFC。2.4.22.4.2生物阴极生物阴极与非生物型与非生物型阴极相比，阴极相比，生物型阴极生物型阴极具有以下优具有以下优点：点：（3）利用微生物的代谢作用可）利用微生物的代谢作用可以去除水中的多种污染物，例如以去除水中的多种污染物，例如生物反硝化等生物反硝化等（2）生物阴极能够避免出现催化）生物阴极能够避免出现催化剂中毒，提高了剂中毒，提高了MFC运行稳定性运行稳定性（1）以微生物取代金属催化剂，）以微生物取代金属催化剂，可以显著降低可以显著降低MFC建造成本建造成本2.4.2生物阴极生物阴极l一般来说，根据阴极最终电子受体的不同，可以一般来说，根据阴极最终电子受体的不同，可以将生物阴极分为好氧型生物阴极（将生物阴极分为好氧型生物阴极（aerobic aerobic biocathodebiocathode）和厌氧型生物阴极（）和厌氧型生物阴极（anaerobic anaerobic biocathodebiocathode）。）。l1.1.好氧型生物阴极好氧型生物阴极lO O2 2在空气中的含量高，氧化还原电势为在空气中的含量高，氧化还原电势为0.8V0.8V，是是MFCMFC阴极最常用的电子受体。阴极最常用的电子受体。2.4.2生物阴极生物阴极l按照氧气的作用方式不同，好氧型生物阴极又可按照氧气的作用方式不同，好氧型生物阴极又可以分为以下两种：以分为以下两种：间接氧气为电子受体的生物阴极间接氧气为电子受体的生物阴极直接以氧气为电子受体的生物阴极直接以氧气为电子受体的生物阴极微生物直接将电子传递微生物直接将电子传递到氧气，进行氧气的还到氧气，进行氧气的还原原微生物利用金属氧化物微生物利用金属氧化物或高价铁盐（如二氧化或高价铁盐（如二氧化锰、三价铁盐）的还原，锰、三价铁盐）的还原，来实现电子到氧气的传来实现电子到氧气的传递递对提高微生物燃料电池对提高微生物燃料电池的性能更加有利。的性能更加有利。2.4.2生物阴极生物阴极（1）氧作为直接）氧作为直接电子受体电子受体（2）二氧化锰为）二氧化锰为直接电子受体直接电子受体（3）三价铁为直）三价铁为直接电子受体接电子受体可以省去阴极室，极大的简化了反应器构型，可以省去阴极室，极大的简化了反应器构型，降低了成本降低了成本锰氧化物修饰的生物阴极能有效缩短锰氧化物修饰的生物阴极能有效缩短MFCs的启的启动时间，但功率密度仍然很小动时间，但功率密度仍然很小铁已经在铁已经在MFC非生物型阴极中被普遍用作电子受体，非生物型阴极中被普遍用作电子受体，但是关于铁在生物阴极但是关于铁在生物阴极MFC中的研究并不是很多中的研究并不是很多2.4.2生物阴极生物阴极l2.厌氧型生物阴极厌氧型生物阴极l在厌氧条件下，许多化合物，如硝酸盐、硫酸盐、在厌氧条件下，许多化合物，如硝酸盐、硫酸盐、铁族元素、硒酸盐、砒酸盐、尿素、延胡索酸盐铁族元素、硒酸盐、砒酸盐、尿素、延胡索酸盐和二氧化碳等都可以作为电子受体。和二氧化碳等都可以作为电子受体。l用厌氧生物阴极代替需氧生物阴极的一大用厌氧生物阴极代替需氧生物阴极的一大优势优势是是可以阻止氧通过可以阻止氧通过PEM扩散到阳极，防止氧气消耗扩散到阳极，防止氧气消耗电子导致库仑效率下降。电子导致库仑效率下降。2.4.2生物阴极生物阴极l（1）硝酸盐为电子受体）硝酸盐为电子受体l其基本其基本原理原理是通过施加一定的电场或电流，使微是通过施加一定的电场或电流，使微生物直接利用阴极传递的电子或产生的氢气将硝生物直接利用阴极传递的电子或产生的氢气将硝酸盐还原为氮气。酸盐还原为氮气。l该反应的该反应的优点优点：可以实现微生物在低碳源或无碳：可以实现微生物在低碳源或无碳源条件下的反硝化作用，避免在水处理过程中补源条件下的反硝化作用，避免在水处理过程中补充碳源。充碳源。l近年来，随着近年来，随着MFC技术的发展，研究者在技术的发展，研究者在MFC的的阴极上已经实现了生物脱氮。阴极上已经实现了生物脱氮。2.4.2生物阴极生物阴极l（2）硫酸盐为电子受体）硫酸盐为电子受体l虽然硫酸盐的氧化还原电势很低，其接收电子受体虽然硫酸盐的氧化还原电势很低，其接收电子受体的能力比硝酸盐小很多，但是它的还原不需要严格的能力比硝酸盐小很多，但是它的还原不需要严格厌氧条件，因此研究者依然看好硫酸盐作为阴极电厌氧条件，因此研究者依然看好硫酸盐作为阴极电子受体的潜力。子受体的潜力。l阴极接种硫酸盐还原菌阴极接种硫酸盐还原菌(如如D.desulfuricans)时，时，产电效率明显提高，表明在厌产电效率明显提高，表明在厌缺氧环境中，硫酸缺氧环境中，硫酸盐可作为盐可作为MFCs生物阴极有效的电子受体。生物阴极有效的电子受体。2.4.2生物阴极生物阴极l（3）其它化合物作为电子受体）其它化合物作为电子受体lGoldner等还研究了以活泼金属作阳极时，等还研究了以活泼金属作阳极时，MFC生物阴极的硫酸盐还原菌生存的营养需求。生物阴极的硫酸盐还原菌生存的营养需求。他们的研究表明氢气的氧化是靠海水中他们的研究表明氢气的氧化是靠海水中D.desulfuricans的富集培养来完成的，其中的富集培养来完成的，其中也包含了少量的酵母膏和铵离子。也包含了少量的酵母膏和铵离子。l此外，二氧化碳和延胡索酸盐也可以被用作终端此外，二氧化碳和延胡索酸盐也可以被用作终端电子受体。电子受体。