微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）是利用产电微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的理想装置,在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。本文主要为大家介绍一下微生物燃料电池基本原理、优点及应用，希望能够对大家认识微生物燃料电池有所帮助。
微生物燃料电池基本原理
微生物燃电池（microbialfuelcells,MFCs）是藉由微生物的催化反应，将化学能（燃料）转换为电能的组件（AllenandBennetto,1993；MinandLogan,2004；Lovleyetal.,2004）。典型的微生物燃电池是由阳极和阴极，以及一片质子交换膜所构成，微生物于阳极分解氧化燃料，并同时产生电子和质子，电子可经由外部电到达阴极，而质子则通过质子交换膜到阴极，在阴极会消耗电子和质子与氧结合产生水（Kimetal.,2003）。如下图所示（ScholzandSchronder,2003），这是以葡萄作为燃料，Rhodoferaxferrireducens做为催化氧化还原反应的微生物，可简明微生物燃电池的反应。 附着在电极上的微生物，对燃电池而言，除分解槽中的燃料外，传递电子到电极表面也为重要的功能之一。ChaudhuriandLovley（2003）发现附着在电极纤维上的嗜甜微生物（R.ferrireducens）的生物膜，不仅具有将电极表面作为终端电子接受者的细胞构造，也具有在细胞膜运输电子与质子的功能，但这些机制的细节仍须加以研究，且细胞的附着性与细胞之间的讯息传递情形，对细胞生物学的領域而言，也是个重要但未知的学问。
微生物燃料电池的优点
1、原料广泛
可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等。也就是说，地里的高粱秆，吃剩的香蕉皮，甚至是洗菜水都可以转变成电能。
2、操作条件温和
一般是在常温，常压，接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低，安全性强。微生物的培养通常不需要苛刻的条件。
3、资源利用率高、无污染
既然微生物可以利用如此多的有机原料和无机原料，那么就不必担心要像烧火炉一样每天掏灰，而且不像直接燃烧那么乌烟瘴气，能量利用率也上了一个台阶。
微生物燃料电池的应用
1、提供电能；
2、废水处理；
3、生物修复；
4、生物传感器。
微生物燃料电池的利用方向
1、利用MPC输出电能的特点进行新型能源的开发；
2、利用MPC电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研究；
3、利用MPC的特殊环境对特殊性能的微生物进行驯化。
微生物燃料电池具有广泛的应用开发前景，但是燃料电池功率低束缚了微生物燃料电池的进一步发展。因此，解决微生物燃料电池发展的瓶颈因素，应依托生物电化学、深入研究非贵金属催化剂、阴阳极材料的优化、质子交换膜的改善、微生物的筛选和培育、生物膜固化技术、MFC机构的研究与开发。
生物燃料电池的未来在哪
开发可持续和可再生能源，更加尊重环境，是21世纪的一项重大挑战。在各种替代能源中，燃料电池对清洁电能的生产有了极大的兴趣。燃料电池通过电化学反应产生电力，通过在阳极处氧化诸如氢和醇的燃料，以及在阴极处还原氧化剂，通常是氧气。燃料电池将通过提供的燃料和氧化剂产生电力，伴随着热量和水作为副产品。酶燃料电池（EFC）和微生物燃料电池（MFC）是燃料电池的子类别，它们具有相似的能量生产操作原理。EFC和MFC的应用范围至少在目前受限，仅应用于诸如致动器和传感器之类的微电子系统供电以及用于环境修复和卫生系统。酶和微生物生物燃料电池在体积大小（cm3到m3），功率密度输出（μW到mW）和目标应用方面存在很大差异。另一个重要的考虑因素是生物催化剂的成本，由于诸如所需的大量MFC和长期维护成本等限制，这种方法仍处于学术研究水平。然而，MFC构成了用于产生电能的原始且环保的系统。另一方面，EFC由于其优异的功率密度和紧凑性而更适合于小型化并且用作可穿戴和可植入电子设备的便携式电源。EFC似乎作为无电池电源解决方案具有更大的前景，它们的潜力确实具有可想象的真实应用。
格勒诺布尔阿尔卑斯大学的一篇名为：Beyond the hype surrounding biofuel cells: What's the future of enzymatic fuel cells? 的文章，在对基于酶和微生物的生物燃料电池进行简述和简短比较后，讨论了酶燃料电池（EFC）的几个重要发展和应用，试图阐明一些迄今为止被忽视的EFCs，并揭示有关未来方向的新见解。本讨论强调如何评估EFC的性能，并强调温度的影响以及EFC作为电源在实际应用中的考虑。简要回顾了使用巴基纸和氧化还原纳米颗粒的EFC设计中的一些最新和最重要的创新。该文章发表在 Current Opinion in Electrochemistry 期刊上。
最初，开发EFC以主要通过阳极处的糖类氧化以及阴极处的氧的还原来产生电能。除了迄今为止在阳极上开发最多的燃料葡萄糖，已经研究过燃料包括果糖，丙酮酸盐，氢气，乳酸盐，甲醇和乙醇。由于葡萄糖是生物体中必不可少且相对丰富的能量来源，因此特别注意开发用于从生理流体为植入的医疗装置供电的可植入EFC。同时，EFC被认为可用于便携式电子设备供电，例如移动电话，传感器，数字音乐播放器，笔记本电脑和GPS系统。最近的氢化酶电极表现出与Pt基电极可竞争的特性，例如长期稳定性，mW功率密度，对诸如CO和硫化物的燃料杂质不敏感，以及对O2的耐受性。与葡萄糖EFC相比，氢EFC的主要优点在于燃料的尺寸，显着小于葡萄糖或用于电酶布线的各种氧化还原介质，已经实现了功率密度的显着改善，其可以匹配或甚至超过葡萄糖EFC的性能。但氢气用于EFCs使我们面临H2储存和运输的问题。实用的高密度氢存储仍然是专用于便携式应用的EFC的主要挑战。
那么如何定义EFC电源呢？
EFC性能的比较和持续优化的问题之一涉及其功率输出及其定义方式。EFC的汇率密度是一个重要参数，必须与EFC产生的实际功率相关联，以确定实际可以考虑哪些应用。例如，高毫瓦功率可能仅在极短时间的峰值活动中需要。生物电极的另一个问题是，功率高度依赖于电极形态，包括吸附酶的结构和厚度，以及在生物催化剂层内部和外部发生的关键质量传递和电荷传播过程。关于电极结构，生物燃料电池的功率密度通常仅相对于电极的几何表面计算。大多数生物电极现在基于3D结构，电极厚度和表面积差异很大。另一个困难有时也在于利用具有不同尺寸的阳极和阴极的EFC的设计。现在似乎以mW/cm3定义生物电极的体积功率似乎是有价值的，特别是如果使用厚度范围为微米和厘米的3D电极。对于单个EFC，生物电极之间距离的优化（其也对电阻，基板供应和副产物形成起作用）将成为功率/尺寸比的关键考虑因素。
温度对EFCs运行的影响
EFC的另一个主要问题涉及温度对酶催化反应的速率和稳定性的影响。这个关键参数经常被低估或忽略，但却可以彻底改变不同应用的EFC。根据酶的来源，温度/活性曲线可能显示从低温（3-5℃）到高温（50-80℃）的最佳值。考虑到EFC必须在阳极和阴极处使用两种非常不同的酶，温度可能会影响为暴露于温度变化大的某些环境条件的便携式电子设备供电的EFC使用。但这并不意味着相关的酶不适合在高温下操作。如使用热稳定酶的H2/ O2 EFC所证明的那样，在这些（相对）温和的条件下已经获得了高功率密度，从而可以为无线传输系统供电。
除温度因素外，生物燃料电池中使用的溶液类型是EFC研究中另一个关键但常常被忽视的因素。到目前为止，相对较少的研究已经研究了EFC在基质中的性能，以用于生物流体，环境水或废水等实际应用。对于人体综合应用，最近的研究已经开始直接在人血清，尿液，唾液和血液中解决生物电极和EFC的性能。由于低底物浓度和抗坏血酸，氯化物，尿酸和生物物理物质的干扰而降低EFC功率输出和稳定性的缺点，已报道的解决策略包括使用透析袋作为保护膜，这是在2010年首次报告的植入大鼠的EFC的策略。
基于Buckypaper的可穿戴设备和可植入设备的EFC
碳纳米管是生物电极设计中广泛使用的材料。在过去的5到7年中，已经出现了用于生物燃料电池的独立式CNT薄膜，称为巴基纸（buckypapers）。Buckypaper薄膜是自支撑宏观片状的缠结CNT，通过π-π堆叠相互作用保持在一起，平均厚度为5-200μm。与基于玻璃碳的电极相比，这些电极更轻，更紧凑和柔韧，并且更容易加工成不同的形状和尺寸。Minteer及其同事开发了一种基于小型化巴基纸的乳酸/O2 EFC嵌入隐形眼镜中，用于人类眼泪手术。除了提高灵活性和可操作性之外，酶修饰的巴基纸被证明是EFCs的有效生物电极。为了改善通常受到氧气限制的生物阴极的有限性能，Atanassov及其同事的阴极设计将气体扩散层与催化巴基纸相结合，从而可以利用两种材料的各自益处。图2描绘了一些buckypaper接口及其应用的例子。
基于纳米粒子的可充电EFC的观点
EFC面临着两个主要的技术瓶颈，目前阻碍了它们的发展，即它们的寿命短，并且在较小程度上，它们的功率输出低。EFC的低稳定性主要与固定化酶（内在催化组分）的失活有关。特别是，酶的稳定性有限，取决于它们的使用环境（温度，pH，抑制剂……）。低功率输出与包括酶和氧化还原介质对电极的不佳固定的因素有关，这显着降低了它们的迁移率和柔韧性。一个解决方案是开发基于酶的限制溶液和氧化还原介质或电子转移促进分子的超分子组装的生物电极。该策略将通过允许更新溶解的酶和氧化还原介体来克服EFC的低操作稳定性，从而导致可再充电的EFC。为了构建生物阴极，通过宿主-客体与双芘-ABTS的相互作用修饰纳米颗粒，并用作电子穿梭器以促进溶液中电极和胆红素氧化酶之间的电子转移（图3）。与在溶液中使用ABTS的相同电酶系统相比，氧化还原纳米颗粒导致增强的催化电流和改善的O2还原稳定性。