文/思思
新冠疫情以来，病毒俨然成为全天下的仇敌。分外期间下，大家谈毒色变，但也有科学家丝毫不畏惧病毒，乃至反其道行之，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，比较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，近日科学家又开拓出一种“吃银”的微生物燃料电池。通过给某种细菌喂银得到更高的发电效率。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，这一打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、核能等新型发电办法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，比较于这些发电办法，微生物发电在产生能源的同时，还可以轻松办理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器。一旦取得技能打破，其质变的过程可能超乎想象。这也是很多前沿科学家对付微生物发电一贯痴迷的主要缘故原由。
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，估量阅读韶光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大略的电池，还是一种生物电化学系统，其利用微生物的新陈代谢，在特定的催化剂赞助下，将废水中的有机物分解为无机物，同时产生电能。在办理发电问题的同时，也办理了环境问题。
由于具有降解废水和产生电能的双重上风，微生物发电技能一经提出，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能被称为MFC技能。
MFC因此微生物为催化剂氧化有机物及无机物并产生电能的装置，紧张包含阳极、质子交流膜、阴极、产电微生物、电子受体，其事情事理如图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，在代谢的过程中开释电子和质子。电子通过细胞内电子通报链转移到细胞膜上，再经由网络通过外电路转移到阴极。与电子受体及穿过质子交流膜的质子发生还原反应，形成完全的电化学过程。描述过程须要的专业名词浩瀚，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？
既能办理环境问题，又能办理能源问题，看起来非常完美的微生物电池技能为什么没有得到遍及，乃至时至今日依然在实验室阶段呢？这是由于，微生物电池技能也有着自己的瓶颈。虽然发电事理清晰，但产电效率低是限定MFC大规模运用的紧张缘故原由，也是微生物电池的最大瓶颈。
详细来说，产电性能受以下几个成分的影响。
（1）MFC构型
MFC的构型目前紧张分为单室、双室、堆栈三种类型。个中，单室本钱最低，配置相对大略。但也随意马虎引起质子带电进入阳极影响微生物活性，致使单室MFC常常发生电解质酸化，发电效率低下。
双室的MFC阳极和阴极由质子交流膜隔离，虽然不会有酸化的问题，但由于阳极和阴极间隔远导致内阻增大，发电效率也不高。并且两室的掩护本钱和操作繁芜性大大提升。
堆栈的MFC实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
电极材料紧张是阴阳两极的材料。
阳极作为微生物的载体，不仅须要吸收微生物产生的电子，还要担保高效率的吸收。是产电能力的最主要制约成分之一。以是，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，如何找到一种导电精良、电阻极低、生物相容性强的阳极材料，是科学家冲要破的一个难题。
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，但探求导电性强、机器强度高、造价低廉是另一个须冲要破的难点。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
阳极底物是全体微生物电池中，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差异也非常大。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主要参数。
（4）阳极微生物
目前的阳极微生物电子通报分为两种，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稠浊培养细菌菌株。混菌型MFC的发电性能优于纯菌型MFC，大量细菌存在随意马虎成长出上风菌种。
由于是微生物燃料电池，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的底细况稳定，也是微生物燃料电池须要办理的难题之一。
（5）质子交流膜
PEM（质子交流膜）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旭日极室，确保高效和可持续的运行。质子传导率低，用度高的PEM不仅影响MFC的发电性能，而且频繁改换新膜导致MFC的运行本钱增加。因此，MFC对质子交流膜的质子传导性和防污性有较高哀求。
3、微生物发电还迢遥吗？
微生物燃料电池MFC兼具污水降解和绿色发电两项技能特点，可以大规模地运用于污水处理，而产电效率低下是目前MFC紧张的最爱的瓶颈。未来，MFC须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技能的逐渐成熟与发展，微生物发电技能已经不再迢遥，MFC技能不仅可用于污水处理及能源回收，还可运用于生物传感器监测污水指标；在极度地区，MFC技能可以修复地表水及土壤；乃至作为可穿着电源，提升士兵作战能力。
