10min是什么意思专题之美科学家用银培育细菌，研制病毒电池，微生物电池是啥？重要吗？

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新冠疫情之后，病毒俨然成为了全世界的敌人。

特殊时期下，人人谈毒色变，但也有科学家丝毫不惧怕病毒，甚至反其道行之，想利用病毒造福人类。麻省理工的材料化学家就研制出一种用病毒制造的电池，相比于制造微型电池所用的碳纳米管电极材料，病毒组装而成的电极储能效率提升了两倍，能量密度、寿命和充电效率都有所增加。而且生产过程也更加环保，并无电子产品生产的严重环境问题。

巧合的是，近日科学家又开发出一种“吃银”的微生物燃料电池。通过给某种细菌喂银获得更高的发电效率。这些银子一旦进入细菌体内，就像微型传输线一样，可以迅速捕捉到更多细菌产生的电子。据统计，这种细菌能够将其产生的81%的电子送入电极，产生每平方厘米0.66毫瓦的功率。这是目前微生物电池最高功率密度，这一突破有可能帮微生物发电落地。

除了传统的水、火电，近些年，风电、光伏、核能等新型发电方式受到了更广泛的关注。尤其是风电和光伏，得到了国家的大力发展。那么，相比于这些发电方式，微生物发电在产生能源的同时，还可以轻松解决生活废水和工业废水的难题。而且生物资源的利用，其效率肯定远大于机械。一旦取得技术突破，其质变的过程可能超乎想象。这也是很多前沿科学家对于微生物发电一直痴迷的重要原因。

本文，我们就来看一看，充满科技质感的微生物燃料电池，看看其发展如何？又受到了哪些瓶颈的制约。全文2500字，预计阅读时间10min，感谢您的阅读。

1、什么是微生物燃料电池？

微生物燃料电池不仅仅是简单的电池，还是一种生物电化学系统，其利用微生物的新陈代谢，在特定的催化剂辅助下，将废水中的有机物分解为无机物，同时产生电能。在解决发电问题的同时，也解决了环境问题。

因为具有降解废水和产生电能的双重优势，微生物发电技术一经提出，就受到了各国科学家的重视。在国际上，利用微生物发电的技术被称为MFC技术。

MFC是以微生物为催化剂氧化有机物及无机物并产生电能的装置，主要包含阳极、质子交换膜、阴极、产电微生物、电子受体，其工作原理如图1所示。在阳极室内，产电微生物以废水中的有机物为营养物质，在代谢的过程中释放电子和质子。电子通过细胞内电子传递链转移到细胞膜上，再经过收集通过外电路转移到阴极。与电子受体及穿过质子交换膜的质子发生还原反应，形成完整的电化学过程。描述过程需要的专业名词众多，但这个过程，却是高中化学中常见的一种氧化还原反应。

2、微生物电池的瓶颈在哪里？‍

既能解决环境问题，又能解决能源问题，看起来非常完美的微生物电池技术为什么没有得到普及，甚至时至今日依然在实验室阶段呢？这是因为，微生物电池技术也有着自己的瓶颈。虽然发电原理清晰，但产电效率低是限制MFC大规模应用的主要原因，也是微生物电池的最大瓶颈。

具体来说，产电性能受以下几个因素的影响。

（1）MFC构型

MFC的构型目前主要分为单室、双室、堆栈三种类型。其中，单室成本最低，配置相对简单。但也容易引起质子带电进入阳极影响微生物活性，致使单室MFC经常发生电解质酸化，发电效率低下。

双室的MFC阳极和阴极由质子交换膜隔离，虽然不会有酸化的问题，但因为阳极和阴极距离远导致内阻增大，发电效率也不高。并且两室的维护成本和操作复杂性大大提升。

堆栈的MFC本质上并无法避免上述问题，不过是两者的综合，目前还在不断地探索中。

（2）电极材料

电极材料主要是阴阳两极的材料。

阳极作为微生物的载体，不仅需要接收微生物产生的电子，还要保证高效率的接收。是产电能力的最重要制约因素之一。所以，阳极的材料必须具有良好的导电性和生物相容性。目前多为碳布，石墨等，如何找到一种导电优异、电阻极低、生物相容性强的阳极材料，是科学家要突破的一个难题。

阴极材料具有高的氧化还原电位，虽然大部分阳极材料都可以做阴极，但寻找导电性强、机械强度高、造价低廉是另一个需要突破的难点。比如目前常用的碳基材料，就有内阻高、延展性差的问题。

（3）阳极底物

阳极底物是整个微生物电池中，影响产电性能最大的关键维度之一。目前，实验室常用的阳极底物为醋酸盐、葡萄糖以及各种废水。不同的阳极底物，对微生物的影响不同，其利用率和降解程度区别也非常大。这在很多实验室中都非常保密的核心秘方，也是微生物燃料电池的重要参数。

（4）阳极微生物

目前的阳极微生物电子传递分为两种，一种是微生物自身产生的中介体实现电子转移（如绿脓菌素），一种为将电子从细胞直接传输到阳极的纳米导线。目前，阳极微生物包含纯的细菌菌株和混合培养细菌菌株。混菌型MFC的发电性能优于纯菌型MFC，大量细菌存在容易生长出优势菌种。

因为是微生物燃料电池，温度、pH、底物浓度不同的参数都会直接影响阳极微生物的产电效率。调节MFC的内环境稳定，也是微生物燃料电池需要解决的难题之一。

（5）质子交换膜

PEM（质子交换膜）是阴阳两极的分隔材料，避免电子受体的反扩散，阻挡其他离子在两室之间转移，提高库仑效率，减少阴极室中氧气流向阳极室，确保高效和可持续的运行。质子传导率低，费用高的PEM不仅影响MFC的发电性能，而且频繁更换新膜导致MFC的运行成本增加。因此，MFC对质子交换膜的质子传导性和防污性有较高要求。

3、微生物发电‍还遥远吗？‍

微生物燃料电池MFC兼具污水降解和绿色发电两项技术特点，可以大规模地应用于污水处理，而产电效率低下是目前MFC主要的最爱的瓶颈。未来，MFC需要不断优化系统组成，如电极材料、产电微生物、营养物质、构型及电子受体等。

随着MFC技术的逐渐成熟与发展，微生物发电技术已经不再遥远，MFC技术不仅可用于污水处理及能源回收，还可应用于生物传感器监测污水指标；在极端地区，MFC技术可以修复地表水及土壤；甚至作为可穿戴电源，提升士兵作战能力。