生物电池

单步反应型生物电池

生物电池，用一种芽胞杆菌来处理人的排泄物，生产氨气，氨气作为电极活性物质，在铂电极发生电极反应，用于宇宙飞船中。2013年科学家已经发现，可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为电能。这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流，或称“生物电池(bio batteries)”诞生。

简介

生物电池（bio-fuel cells），是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。

分类

按场所的不同

1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。

2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。

3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。

它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体内”，“于生物体外”以及“与生物体细胞外”。

按催化剂的来源

1、微生物电池

微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。基本反应类型分为四步：

(1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。

(2)介体捕获电子并将其运送至阳极。

(3) 电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。

(4)氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。

阳极反应：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e

阴极反应：6O2+24H++24e-→12H2O

2、酶电池

酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：

葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。

阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-

阴极反应：H2O2+2H++2e-→2H2O

普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。

工作原理

生物电池的阳极由嗜糖酶和介质组成，阴极由释氧酶和介质组成，两极都有一层玻璃纸隔离膜。阳极通过如下的酶氧化反应从糖（葡萄糖）中分解出电子和氢离子：

葡萄糖—＞葡萄糖酸+ 2 H+ + 2e-

氢离子通过隔离膜流到阴极，氢离子和电子与空气中的氧结合，生成水：

(1/2) O2 + 2 H+ + 2e- —＞ H2O

通过这一电化学反应过程，电子经过外围电路，产生了电。

生物电池工作时，是将燃料的化学能转化为容易进行电化学反应的形式。有如下两种方法：

一是用酶氧化燃料，所得的酶反应生成物再进行电极反应的方式（电子传递系统不配对的体系）

二是用具有辅酶的酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原的辅酶再在电极上进行氧化的方式（电子传递系统配结的体系）。

主要特点

与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优势。

1、它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。

2、不同于现有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。

3、生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳。

4、生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体

5、在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。

相关案例

细菌发电

2013年科学家已经发现，可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为电能。这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流，或称“生物电池(bio batteries)”诞生。研究人员制成海洋细菌希瓦氏菌的合成版本，他们仅采用了被认为是这种细菌用来把电子从岩石上转移到体内的蛋白。然后他们把这些蛋白质嵌入到一层层泡囊中，这些是微小的油脂(脂肪)囊，例如组成细菌膜的那些物质。随后他们对电子在细菌体内的给电子体和体外用来提供矿物质的一块金属之间的传输情况进行检测。

该研究成果发表《美国国家科学院院刊》上，它显示，细菌接触到金属或者是矿物质时，它们体内的化学物质就会生成电流，并通过细胞膜流出体外。这意味着可以把细菌直接“束缚”到电极上，这一发现表明我们又向成功制出高效微生物燃料电池迈进了一大步。

英国东安格利亚大学的生物学家汤姆-克拉克博士说：“我们知道细菌能转移金属和矿物质里的电子，这种互动主要取决于细菌体表的特殊蛋白。但是我们还不清楚，这些蛋白是直接还是间接通过环境中一种我们不知道的介质做到这些的。我们的研究显示，这些蛋白质能够直接‘接触’矿物质表面，并产生电流，这表明细菌可能是依附在金属或者矿物质表面，通过它们的细胞膜传导电流的。事实上这是我们第一次观测到细菌细胞膜的组成成分是如何与不同物质发生互动的，并首次了解了金属和矿物质在细胞表面发生的互动存在多大差异。这些细菌展现出作为微生物燃料电池的巨大潜能，它们可以通过分解家庭或者农业废料产生电流。”

主要用途

燃料结构

使用生物燃料电池，1L糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶25-30Km，如果汽车的油箱为50L的话，装满后可连续行驶1000Km而不需要再补充能源。这样，一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的空气污染问题，另一方面还可避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至是爆炸。

污水处理

2005年，美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布，已成功研制一种新型的微生物电池。可以将未处理过的污水，通过微生物降解，转变为清洁的水和电能。

能量支持

2005年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量、为心脏起搏器提供能量。

机器人应用

2001年，英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为“Slugbot”的机器人，用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中，在酶的作用下将其转化为电能。

2000年美国南佛罗里达大学科学家研制出一种可使用肉类食物补充能量的机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池，为机器人运动和工作提供动力。

这种关于机器人的设想还有很多，比如在机器人体内安装一块微生物电池，让机器人和人类一样可以“吃饭”，并将“吃”下的食物（或富含能量的东西）通过微生物电池转化成电能提供给机器人。这种技术主要被用于高拟态机器人（与人类有极高相似度的机器人）、野外探险机器人、和军用机器人。5、在航空航天上的应用。　为处理密闭的宇宙飞船里宇航员排出的尿液，美国宇航局设计了一种新型生物电池。用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，生成氨气，以氨气作为微生物电池的电极活性物质。这样既处理了尿液，又得到了电能。一般在宇航条件下，平均每天可得到47瓦电力。

发展展望

在化石燃料日趋紧张、环境污染越来越严重的今天，生物燃料电池以其良好的性能向我们展示了一个美好的发展前景。但不可否认的是，由于技术条件的制约，生物燃料电池的研究利使用还处于不成熟阶段:电池的输出功率小、使用寿命短。例如美国得克萨斯大学亚当?海勒博士研制的葡萄生物电池能提供的功率仅为2.4微瓦，这说明要点燃一个小灯泡需要100万株葡萄，并且产电能每天都在衰减。即使是最新的技术，索尼公司开发的新型生物电池，4个立方体(每边边长3.9公分)串联而成的生物电池，仅产生了50mW(毫瓦)的电能。相对于同样大小的锂电池或干电池，生物电池所产生的电能过低。由此导致生物燃料电池的使用范围非常狭小，远没有达到全面推广的时期。

为生物电池能够更快地得到广泛应用，科学家们正在不断努力：

1、开发无介体生物燃料电池

有一类铁还原性微生物，由于其细胞膜上有丰富的细胞色素，表现出较强的电化学活性，在生物电池中能直接将电子转移至阳极而不需要借助任何介体。根据研究，Rhodoferax、ferrireduler和Geobacter- aceae种群的微生物都具有这种功能，它们在电池内发生的反应可表示为：

C6H12O6+6H2O+24Fe→6CO2+24Fe+24H++24e-（铁作为催化剂）

无介体生物燃料电池的优点主要表现为有充足的空间，有利于提高电子转移的效率和速率。

2、加强对电极的修饰

学者Derek R.Lovely等用石墨毡和石墨制成的泡沫代替碳棒作为电池的阳极，研究发现电池的电能输出大大增加，约为原来的三倍。说明增大电极的表面积可以增大吸附在电极表面的微生物和酶的密度，从而增加电量的输出。Zhen He等在微生物燃料电池中用微生物来修饰阴极，加快了氧气的还原反应速率，极大地提高了电池输出的电流密度。

3、选择合适的质子交换膜

质子交换膜能够有效地维持电池两极室内酸碱度的平衡，保证电池反应的正常进行。Liu和Logan在电池的设计中取消了质子交换膜，结果发现电池的库仑输出效率由55%降到了2%;Min et al研究发现如果氧气由阴极室进入阳极室，电池的库仑输出效率会从55%降至19%这说明质子交换膜的质量好坏关系到生物燃料电池的性能，选择合适的质子交换膜，增强质子的穿透性而降低氧气的扩散成为了生物燃料电池开发中的一个重要环节。

4、开发光化学生物燃料电池

利用光合细菌或藻类吸收太阳光，并将其转化成电能的装置称为光化学生物燃料电池。科学家曾设计出这样的一种电池:用石墨作阳极，阳极室由有项圈藻和可溶性奎宁介体;阴极也为石墨电极，电解质溶液为铁氰化钾。把这种电池先放在阳光下光照10小时，然后在黑暗的环境中放置10小时，发现可产生1mA的电流(外电路电阻为500Ω)，只不过光子转化成电子的效率只有0.2%。后来人们又用Synechococcus细菌来代替项圈藻，发现转化率可提高到3.3%。

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