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1.1 MFC发展历程
人类历史上首次发现生物电这一现象可以追溯到公元18世纪80年代。意大利生物学家Galvani教授在实验中发现电击可以导致青蛙腿的抽搐，据此推测电击导致蛙腿肌肉中贮存的电能释放，并把这种电命名为“动物电” [6]。1839年，英国物理学家Grove发现电解水的可逆过程，即氢气和氧气在一定条件下能够反应重新化合形成分子水，同时产生电流，这是人类历史上最早的燃料电池[7]。1910年，英国植物学家Potter发现利用大肠杆菌（E. coli.）作为微生物催化剂可以令酵母菌在电池的Pt电极上氧化，并产生电流输出，这是最早形成的关于MFC 的概念[8]。但直到1980s 发现加入电子介体可以使输出功率大幅度提高后，关于微生物燃料电池的研究才逐渐引起重视。随后的时间里相关领域一直把精力集中在开发介体微生物电池上。然而由于合成的外源性介体大多不稳定性且具有毒性，微生物燃料电池的应用受到了极大地限制[9]。2000年发现可直接将电子传递到阳极的金属还原菌[10]。2002年,Bond的研究团队发表在Science上的一篇关于海底沉积物的研究中发现，一种存在于海底泥中的特殊微生物(Geobacter)可以在完全厌氧条件下利用乙酸作为阳极反应基质持续稳定的电流输出，这一突破性的成就极大地推动了微生物燃料电池研究的进展[11]。2015年，Shenlong Zhao 等制备了一种具有三维结构的Pt纳米颗粒/石墨烯复合电极可以极大地提高MFC输出功率，最大功率密度达到1460mW/m2[12]。论文网
1.2 MFC的应用
废水中含有相当可观的能量。以美国为例，废水处理消耗的电能为15 GW，大约占全美产电量的3%，而这些废水，包括家庭、工业、动植物废水等潜在的产电功率密度达到1.5×1011 kWh，此外，美国每年农业生产可提供13.4亿吨生物质用于发电，相当于600 GW的电能，有效开发利用这部分能量将大大降低废水处理成本，并为人类提供一种新型可再生能源[13]。和所能微生物燃料电池的应用领域十分广泛。有别于常规化学燃料电池，微生物燃料电池能够在常温条件下运作同步实现废水处理和产电，厌氧发酵法生物产氢，还可作为生物传感器实现有机污染物的在线监控[14]。近年来，微生物燃料电池研究不断发展，已经拓展出了微生物脱盐电池（MDC）、微生物电解电池（MEC）、合成生物制品、微生物传感器等众多分支，从而在产电的同时同步实现脱氮脱硝、污水处理、制取燃料、合成化学品等多种生产需求[14]。2012年，Roland D等更是成功研发出一种名为微生物逆向渗析电池（MRC）的新型装置，,通过MFC对传统的逆向电渗析技术加以改进，利用RED（逆向电渗析）堆和可再生盐溶液使电极表面的功率密度达到5.6 W/m2，降低膜成本的同时打破了以往RED只能在沿海地区开展的局限，大大拓宽了RED的应用范围。微生物燃料电池的许多潜在应用价值仍有待进一步挖掘，前景十分广阔[15]。
1.3 课题研究背景
MFC的诞生是对传统有机废水处理和观念的重大革新，自然有机物质、复杂有机废物、各种可再生生物质都能充当燃料为其所用产生电能， 一旦实现产业化将产生巨大的环境和经济综合效益。在资源、环境矛盾日益尖锐的今天，单纯地依靠能源效率的增长已无法使我们维持以化石燃料为主导的能源结构模式，也无法从根本上遏制温室效应的蔓延，因此寻求有效可靠的替代能源并大力发展新能源技术是必由之路。微生物燃料电池作为一种绿色能源，它消耗的是有机废物，产生的是能源，尽管也会有电极、导线的损耗，但这在生态平衡的方程式里只是很微小的一部分[16]。在阳极，微生物代谢氧化有机物并释放电子和质子，电子再通过外电路传递到阴极；在阴极，氧气或其他电子对受体接受质子和电子并反应生成水或其他还原物质，通过加入底物便可使过程持续产生电流。MFC理想的产电功率取决于有机物和最终电子受体如氧气之间的反应，然而实际的输出功率受到多种因素限制，其根本原因在于发生MFC电极上的氧化还原反应均为不可逆反应，主要包括激活极化损失、欧姆损失、浓差极化损失三部分。活化损失在低电流密度区占主导，主要是由反应物之间吸附和解吸，电子转移机制和电极表面特性引起的能量损失，通过添加电子中介体，提高阴极催化剂活，接种多种不同微生物产电菌等措施可以降低这部分损失。而在高电流密度区占主导的是浓差极化损失，这部分损失主要是由于电极表面生成产物或反应物通量不足以维持最初的底物浓度而限制了电子传递速率导致的，通过适当搅拌和优化MFC构造可以降低这部分损失。在反应的中间阶段占主导的是欧姆损失，降低欧姆损失也是优化MFC构造提升产电性能最重要的目标之一。该部分损失是由电子或离子传导引起的，通过增加电解质溶液的传导性，选用低内阻的质子交换膜，减小电极间距可以减小电池内阻，从而降低欧姆损失。