文 献 综 述

1.1能源发展与环境问题

能源是人类赖以生存的物质基础，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大影响，国际舆论开始关注起世界”能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。社会发展至今天，人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁，也热切地期盼着生活空间质量的改善。目前国际社会关注的全球性环境问题主要包括:臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生，均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系。随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此，世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性^[1,2]。

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。微生物燃料电池(MFC)研究是一个快速发展的领域，缺乏系统性能分析的既定术语和方法，这使得研究人员很难在同等的基础上对设备进行比较。MFCs的建立和分析需要了解从微生物学和电化学到材料和环境工程等不同科学和工程领域的知识。因此，描述MFC系统涉及到对这些不同的科学和工程原理的理解^[3]。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池(MFCs)通常设计为两室系统，阳极室中的细菌通过聚合物质子交换膜(PEM)与阴极室分离。大多数MFCs使用水阴极，其中水与空气鼓泡，向电极提供溶解氧^[4]。为了降低内阻 ,尽可能提高微生物燃料电池的输出功率 ,提出了一种将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的”三合一 ”膜电极形式的微生物燃料电池^[3]。

微生物燃料电池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，即将燃料的化学能直接转变为电能^[6,7]。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例（如图1），它的工作原理^[8,9]是:在阳极区，微生物将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子（NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区，释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水^[10]。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流^[11]。以葡萄糖为例，其反应式如下:

图1-1 MFC的结构及原理示意图

Fig.1-1 Schametics of the structure and working principle of MFC

阳极反应:

C₆H₁₂O₆ 6H₂O→6CO₂ 24H 24e^- (l-l)