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1、DOI:10.13208/j.electrochem.2004.01.001第10卷第1期电化学Vol.10No.12004年2月ELECTROCHEMISTRYFeb.2004文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展＊宝王月,吴霞琴(上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234)摘要:简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景.关键词:生物燃料电池;酶;电子传递媒介体
2、;修饰电极中图分类号:TM911.45文献标识码:A生物燃料电池(Biofuelcell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能.生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示:催化剂-+阳极反应C6H12O6+6H2O6CO2+24e+24H催化剂-+阴极反应6O2+24e+24H12H2O1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空
3、间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有[1]了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发.另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,
4、也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近[2]年来取得了某些进展.收稿日期:2003_07_19＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:xqwu@shtu.edu.cn上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助·2·电化学2004年生物燃料电池不仅在理论上具有很高的能量转化效率,同时它还有着一些自身的特点:1)原料来源广泛:可以利用一般燃料电池不能利用的各种有机物,无机
5、物以及微生物呼吸[3,4]的代谢产物、发酵的产物、光合作用甚至污水等作为燃料;2)电池的操作条件较温和:由于使用酶或微生物作为催化剂,一般只要求在近中性的常温、常压条件下工作;3)生物相溶性好:由于可利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料,一旦开发成功,便能方便地为植入人体的一些人造器官提供电能.生物燃料电池按其工作方式可分为两类:一类是酶生物燃料电池,即先将酶从生物体系中提取出来,然后,利用其活性在阳极催化燃料分子氧化、同时加速阴极氧的还原;另一类是微生物燃料电池,就是利用整个微生物细胞作燃料,依靠合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递.此外,也有
6、根据电子传递方式进行分类的,简称直接的和间接的生物燃料电池.所谓直接的乃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;但如果燃料是在电解液中或其它处所反应,而电子则通过氧化还原介体传递到电极上的就称为间接生物燃料电池.以下仅就目前研究较多的生物燃料电池分别作一介绍.1微生物燃料电池这类电池是将发酵过程中产生氢气的微生物细胞直接固定在H2/O2燃料电池的阳[5,6]极.如将卷筒式的铂电极放入含C.butyricum微生物的悬浮液中,悬浮液即与丙烯酰胺聚合形成凝胶.在电极表面进行的发酵过程直接提供了阳极所需的燃料H2,而
7、发酵过程的副产物则可作为次级燃料进一步被利用.例如产生的蚁酸在凝胶中向阳极扩散,并在阳极电化学氧化生成氢离子和二氧化碳.对上述体系,H2是主要的发酵产物.但当发酵液通过阳极时,代谢产生的蚁酸也作为燃料在阳极直接氧化,因此氢并不是阳极电流的唯一来源.在最优化的操作条件下,含0.4g湿微生物细胞(相当于0.1g干细胞)的电池可以达到0.4V的输出电压(Vcell)和0.6mA的输出电流(Icell).另一类硫酸还原蛋白(Desulfovibriodesulfuricans)由于其存在广泛、含量丰富,研究也较[7,8]多.这种物质在厌氧条件下可形成一种特殊的基团,作为呼
8、吸链终端电
