β-PbO2阴极微生物燃料电池产电特性研究(4)
利用微生物来产生电能的技术，也在日新月异的发展。英国的植物学家马克•皮特在1910年首先发现有机物中细菌的培养也能够产生电流，于是，他以铂作为电极，放进大肠杆菌或者普通酵母菌的培养液里，成功地制造了世界上第一个细菌电池。从此开始，利用微生物来产生电能的研究拉开了序幕。1984年，美国设计出一种供遨游太空使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌，不过放电率极低，直到本世纪80年代末，英国化学家彼得•彭托在细菌发电研究方面采取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解电子，电流能持续数月之久，此后，各种细菌电池相继问世。90年代初，我国也开始了生物燃料电池的研究[2]。
从燃料电池的定义来看，生物燃料电池也是燃料电池的一种，但是，生物燃料电池具有其自身的特殊性。它是利用微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，引起物理电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能的装置，即将燃料的化学能直接转变为电能[3]。
生物燃料电池与传统的燃料电池在工作原理上面有许多相似的地方，以葡萄糖作为燃料电池的反应主体，葡萄糖分子在阳极失去电子被氧化，溶液中的氧气分子在阴极得到电子被还原，这样便在阴阳两极中形成了电流通路，其阴阳两极的电化学反应式如下:
阳极:C6H1206+6H2O→24H++24e-+6CO2 E0=0.014V （1）
阴极:6O2+24e-+24H+→12H2O E0=1.23V （2）
生物燃料电池不仅具有普通燃料电池效率高，无污染等优点，还有一些独特的优点[2]:
(1)燃料来源广泛，自然界中大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有机物都可以作为燃料；
(2)反应条件温和，可在常温、常压、中性pH值条件下反应，易于操作、控制和文护；
(3)生物相容性好，可为植入人体的人造器官或生物传感器提供能源。
从目前生物燃料电池的研究情况来看，大体被分为两种，一种是微生物燃料电池(MFC)，它是微生物产能研究方面的重要课题；另一种叫做酶燃料电池。从催化剂的角度来看，不论是哪一种生物燃料电池，只有少数是在阴、阳两极同时使用生物催化剂的，大多数生物燃料电池只是在阳极使用生物催化剂，阴极则与一般的燃料电池一样，使用空气中的氧气作为氧化剂。所以目前的生物燃料电池的研究工作多数是针对了电池的阳极。
1.2 微生物燃料电池
1.2.1 微生物燃料电池简介
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种以微生物作为催化剂，将有机物氧化并转化为电流的装置。它利用微生物作为氧化底物的催化剂，在常温常压下就可以进行能量转换。在正常的微生物代谢作用下，最初底物（以葡萄糖为例）在没有氧气参与的情况下被氧化，同时电子被具有氧化还原活性的介体吸收[4]。在反应过程中, 有机底物在阳极被微生物氧化并产生电子和质子, 电子通过外电路转移到阴极, 质子透过质子交换膜。电子和质子在阴极与电子受体反应, 在外电路获得电流[5]。由于在降解有机物的同时能够回收清洁能源，实现废物处理和能源回收双赢，已引起了人们的广泛兴趣和极大关注, 并很快成为研究热点[6-8]。目前世界上关于MFC的研究，大多数都集中于产能方向，在由此派生出的一系列研究中，学者们将重点放在如何使得产生的电能最大化，从而对于MFC的底质和微生物提出了比较严格的要求，但是却忽略了微生物底质本身的降解效果。由于微生物种类繁多，因为不仅可以利用单一的碳水化合物，还可以利用复杂的有机物来产生电流，例如海底的沉积污泥[9]，生活污水[10]和厌氧污泥[11]
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