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微生物燃料電池：新型產(chǎn)能生物技術(shù)
（作者未知） 2010/5/26
（接上頁(yè)）電勢(shì)損失。為了糾正這一點(diǎn)，一些研究者們使用了赤血鹽（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血鹽并不是被空氣中的氧氣完全重氧化的，所以應(yīng)該認(rèn)為它是一個(gè)電子受體更甚于作為媒介。如果要達(dá)到可持續(xù)狀態(tài)，MFC陰極最好是開(kāi)放性的陰極。
質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的性能
目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—質(zhì)子轉(zhuǎn)換膜（PEMs）。然而，Nafion—膜對(duì)于（生物）污染是很敏感的，例如銨。而目前最好的結(jié)果來(lái)自于使用Ultrex陽(yáng)離子交換膜。Liu等不用使用膜，而轉(zhuǎn)用碳紙作為隔離物。雖然這樣做顯著降低了MFC的內(nèi)在電阻，但是，在有陽(yáng)極電解液組分存在的情況下，這一類(lèi)型的隔離物會(huì)刺激陰極電極的生長(zhǎng)，并且對(duì)于陰極的催化劑具有毒性。而且目前尚沒(méi)有可信的，關(guān)于這些碳紙-陰極系統(tǒng)在一段時(shí)期而不是短短幾天內(nèi)的穩(wěn)定性方面的數(shù)據(jù)。
MFC的內(nèi)在電阻
這一參數(shù)既依賴(lài)于電極之間的電解液的電阻值，也決定于膜電阻的阻值（Nafion—具有最低的電阻）。對(duì)于最優(yōu)化的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，陽(yáng)極和陰極需要盡可能的相互接近。雖然質(zhì)子的遷移會(huì)顯著的影響與電阻相關(guān)的損失，但是充分的混合將使這些損失最小化。
性能的相關(guān)數(shù)據(jù)
在平均陽(yáng)極表面的功率和平均MFC反應(yīng)器容積單位的功率之間，存在著明顯的差異。表2提供了目前為止報(bào)道過(guò)的與MFCs相關(guān)的最重要的的結(jié)果。大部分的研究結(jié)果都以電極表面的mA/m以及mW/m2兩種形式表示功率輸出的值，是根據(jù)傳統(tǒng)的催化燃料電池的描述格式衍生而來(lái)的。其中后一種格式對(duì)于描述化學(xué)燃料電池而言可能已經(jīng)是充分的，但是MFCs與化學(xué)燃料電池具有本質(zhì)上的差異，因?yàn)樗褂玫拇呋瘎?xì)菌）具有特殊的條件要求，并且占據(jù)了反應(yīng)器中特定的體積，因此減少了其中的自由空間和孔隙的大小。每一個(gè)研究都參照了以下參數(shù)的特定的組合：包括反應(yīng)器容積、質(zhì)子交換膜、電解液、有機(jī)負(fù)荷速率以及陽(yáng)極表面。但僅從這一點(diǎn)出發(fā)要對(duì)這些數(shù)據(jù)作出橫向比較很困難。從技術(shù)的角度來(lái)看，以陽(yáng)極倉(cāng)內(nèi)容積（液體）所產(chǎn)生的瓦特/立方米（Watts/m3）為單位的形式，作為反應(yīng)器的性能比較的一個(gè)基準(zhǔn)還是有幫助的。這一單位使我們能夠橫向比較所有測(cè)試過(guò)的反應(yīng)器，而且不僅僅局限于已有的研究，還可以拓展到其它已知的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。
此外，在反應(yīng)器的庫(kù)侖效率和能量效率之間也存在著顯著的差異。庫(kù)侖效率是基于底物實(shí)際傳遞的電子的總量與理論上底物應(yīng)該傳遞的電子的總量之間的比值來(lái)計(jì)算。能量效率也是電子傳遞的能量的提示，并結(jié)合考慮了電壓和電流。如表2中所見(jiàn)，MFC中的電流和功率之間的關(guān)系并非總是明確的。需要強(qiáng)調(diào)的是在特定電勢(shì)的條件下電子的傳遞速率，以及操作參數(shù)，譬如電阻的調(diào)整。如果綜合考慮這些參數(shù)的問(wèn)題的話，必須要確定是最大庫(kù)侖效率（如對(duì)于廢水處理）還是最大能量效率（如對(duì)于小型電池）才是最終目標(biāo)。目前觀測(cè)到的電極表面功率輸出從mW/m2~w/m2都有分布。
優(yōu)化
生物優(yōu)化提示我們應(yīng)該選擇合適的細(xì)菌組合，以及促使細(xì)菌適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)化過(guò)的環(huán)境條件。雖然對(duì)細(xì)菌種子的選擇將很大程度上決定細(xì)菌增殖的速率，但是它并不決定這一過(guò)程產(chǎn)生的最終結(jié)構(gòu)。使用混合的厭氧-好氧型淤泥接種，并以葡萄糖作為營(yíng)養(yǎng)源，可以觀察到經(jīng)過(guò)三個(gè)月的微生物適應(yīng)和選擇之后，細(xì)菌在將底物轉(zhuǎn)換為電流的速率上有7倍的增長(zhǎng)。如果提供更大的陽(yáng)極表面供細(xì)菌生長(zhǎng)的話，增長(zhǎng)會(huì)更快。
批處理系統(tǒng)使能夠制造可溶性的氧化型中間體的微生物的積累成為了可能。持續(xù)的系統(tǒng)性選擇能形成生物被膜的種類(lèi)，它們或者能夠直接的生長(zhǎng)在電極上，或者能夠通過(guò)生物被膜的基質(zhì)使用可移動(dòng)的穿梭分子來(lái)傳遞電子。
通過(guò)向批次處理的陽(yáng)極中加入可溶性的氧化中間體也能達(dá)到技術(shù)上的優(yōu)化：MFCs中加入氧化型代謝中間體能夠持續(xù)的改善電子傳遞。對(duì)這些代謝中間體的選擇到目前為止還僅僅是出于經(jīng)驗(yàn)性的，而且通常只有低的中間體電勢(shì)，在數(shù)值約為300mV或者還原性更高的時(shí)候，才認(rèn)為是值得考慮的。應(yīng)該選擇那些具有足夠高的電勢(shì)的氧化中間體，才能夠使細(xì)菌對(duì)于電極而言具有足夠高的流通速率，同時(shí)還需參考是以高庫(kù)侖效率還是以高能量效率為主要目標(biāo)。
一些研究工作者們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了改進(jìn)型的陽(yáng)極材料，是通過(guò)將化學(xué)催化劑滲透進(jìn)原始材料制成的。Park和Zeikus使用錳修飾過(guò)的高嶺土電極，產(chǎn)生了高達(dá)788mW/m2的輸出功率。而增加陽(yáng)極的特殊表面將導(dǎo)致產(chǎn)生更低的電流密度（因此反過(guò)來(lái)降低了活化超極化）和更多的生物薄膜表面。然而，這種方法存在一個(gè)明顯的局限，微小的孔洞很容易被被細(xì)菌迅速堵塞。被切斷食物供應(yīng)的細(xì)菌會(huì)死亡，因此在它溶解前反而降低了電極的活化表面�？傊�，降低活化超極化和內(nèi)源性電阻值將是影響功率輸出的最主要因素。
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