生物電池

生物電池（bio-fuel cells），是指將生物質能直接轉化為電能的裝置（生物質蘊涵的能量絕大部分來自於太陽能，是綠色植物和光合細菌通過光合作用轉化而來的）。從原理上來講，生物質能能夠直接轉化為電能主要是因為生物體內存在與能量代謝關係密切的氧化還原反應。這些氧化還原反應彼此影響，互相依存，形成網路，進行生物的能量代謝。

1、單步反應型生物電池，指利用生物體內的氧化還原物質發生氧化還原反應製成的生物電池。

2、多步反應型生物電池，指生物體外的氧化還原物質發生氧化還原反應製成的生物電池。

3、細胞型生物電池，指生物體細胞外的氧化還原物質發生氧化還原反應製成的生物電池。

它們的主要差別是反映場所不同。分別是“於生物體內”，“於生物體外”以及“與生物體細胞外”。

1、微生物電池

微生物電池由陽極室和陰極室組成。有一個質子交換膜將兩極室分開。基本反應類型分為四步：

1)在微生物的作用下，燃料發生氧化反應，同時釋放出電子。

2)介體捕獲電子並將其運送至陽極。

3)電子經外電路抵達陰極，質子通過質子交換膜由陽極室進入陰極室。

4)氧氣在陽極接收電子，發生氧化還原反應。

陽極反應：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e

陰極反應：6O2+24H++24e-→12H2O

2、酶電池

酶電池通常使用葡萄糖作為反應原料。反應原理如下：

葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和輔酶的作用下失去電子被氧化成葡萄糖酸，電子由介體運送至陽極，在經外電路到陰極。雙氧水得到電子，並在做過的氧化酶的作用下還原成水。

陽極反應：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-

陰極反應：H2O2+2H++2e-→2H2O

普遍使用的以葡萄糖為燃料的酶電池是模仿線粒體的反應機構而製成的，線粒體是以葡萄糖為燃料的酶電池的理想模型。

生物電池的陽極由嗜糖酶和介質組成，陰極由釋氧酶和介質組成，兩極都有一層玻璃紙隔離膜。陽極通過如下的酶氧化反應從糖（葡萄糖）中分解出電子和氫離子：

葡萄糖—>葡萄糖酸+2H++2e-

氫離子通過隔離膜流到陰極，氫離子和電子與空氣中的氧結合，生成水：

(1/2)O2+2H++2e-—>H2O

通過這一電化學反應過程，電子經過外圍電路，產生了電。

生物電池工作時，是將燃料的化學能轉化為容易進行電化學反應的形式。有如下兩種方法：

一是用酶氧化燃料，所得的酶反應生成物再進行電極反應的方式（電子傳遞系統不配對的體系）

二是用具有輔酶的酶來氧化燃料，使在燃料氧化過程中結合而還原的輔酶再在電極上進行氧化的方式（電子傳遞系統配結的體系）。

與傳統的化學電池相比，生物電池具有操作上和功能上的優勢。

1、它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率。

2、不同於現有的生物能處理，生物燃料電池能在常溫常壓甚至是低溫的環境條件下都能夠有效運作，電池維護成本低，安全性強。

3、生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳。

4、生物燃料電池具有生物相容性，利用人體內的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體

5、在缺乏電力基礎設施的局部地區，生物燃料電池具有廣泛應用的潛力。

細菌發電

2013年科學家已經發現，可以把細菌體表蛋白生成的能量收集起來，作為電能。這項重大突破將會導致由細菌產生的清潔電流，或稱“生物電池(bio batteries)”誕生。研究人員製成海洋細菌希瓦氏菌的合成版本，他們僅採用了被認為是這種細菌用來把電子從岩石上轉移到體內的蛋白。然後他們把這些蛋白質嵌入到一層層泡囊中，這些是微小的油脂(脂肪)囊，例如組成細菌膜的那些物質。隨後他們對電子在細菌體內的給電子體和體外用來提供礦物質的一塊金屬之間的傳輸情況進行檢測。

該研究成果發表《美國國家科學院院刊》上，它顯示，細菌接觸到金屬或者是礦物質時，它們體內的化學物質就會生成電流，並通過細胞膜流出體外。這意味著可以把細菌直接“束縛”到電極上，這一發現表明我們又向成功制出高效微生物燃料電池邁進了一大步。

英國東安格利亞大學的生物學家湯姆-克拉克博士說：“我們知道細菌能轉移金屬和礦物質里的電子，這種互動主要取決於細菌體表的特殊蛋白。但是我們還不清楚，這些蛋白是直接還是間接通過環境中一種我們不知道的介質做到這些的。我們的研究顯示，這些蛋白質能夠直接‘接觸’礦物質表面，併產生電流，這表明細菌可能是依附在金屬或者礦物質表面，通過它們的細胞膜傳導電流的。事實上這是我們第一次觀測到細菌細胞膜的組成成分是如何與不同物質發生互動的，並首次了解了金屬和礦物質在細胞表面發生的互動存在多大差異。這些細菌展現出作為微生物燃料電池的巨大潛能，它們可以通過分解家庭或者農業廢料產生電流。”

使用生物燃料電池，1L糖類物質（葡萄糖等）的濃溶液氧化產生的電能可提供一輛中型汽車行駛25-30Km，如果汽車的油箱為50L的話，裝滿后可連續行駛1000Km而不需要再補充能源。這樣，一方面可以控制因化石燃料燃燒導致的空氣污染問題，另一方面還可避免因發生交通事故而引發的汽油起火燃燒甚至是爆炸。

2005年，美國賓夕法尼亞大學的研究小組宣布，已成功研製一種新型的微生物電池。可以將未處理過的污水，通過微生物降解，轉變為清潔的水和電能。

2005年，日本東北大學研究小組新開發出一種利用血液中的糖分發電的生物電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內的測定血糖值的裝置提供充足電量、為心臟起搏器提供能量。

2001年，英國西英格蘭大學的科學家們研製出了一種名為“Slugbot”的機器人，用於搜捕危害種植業的鼻涕蟲放在一容器中，在酶的作用下將其轉化為電能。

2000年美國南佛羅里達大學科學家研製出一種可使用肉類食物補充能量的機器人。這種機器人體內裝備一塊微生物燃料電池，為機器人運動和工作提供動力。

這種關於機器人的設想還有很多，比如在機器人體內安裝一塊微生物電池，讓機器人和人類一樣可以“吃飯”，並將“吃”下的食物（或富含能量的東西）通過微生物電池轉化成電能提供給機器人。這種技術主要被用於高擬態機器人（與人類有極高相似度的機器人）、野外探險機器人、和軍用機器人。5、在航空航天上的應用。為處理密閉的宇宙飛船里宇航員排出的尿液，美國宇航局設計了一種新型生物電池。用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，生成氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質。這樣既處理了尿液，又得到了電能。一般在宇航條件下，平均每天可得到47瓦電力。

在化石燃料日趨緊張、環境污染越來越嚴重的今天，生物燃料電池以其良好的性能向我們展示了一個美好的發展前景。但不可否認的是，由於技術條件的制約，生物燃料電池的研究利使用還處於不成熟階段：電池的輸出功率小、使用壽命短。例如美國得克薩斯大學亞當？海勒博士研製的葡萄生物電池能提供的功率僅為2.4微瓦，這說明要點燃一個小燈泡需要100萬株葡萄，並且產電能每天都在衰減。即使是最新的技術，索尼公司開發的新型生物電池，4個立方體(每邊邊長3.9公分)串聯而成的生物電池，僅產生了50mW(毫瓦)的電能。相對於同樣大小的鋰電池或乾電池，生物電池所產生的電能過低。由此導致生物燃料電池的使用範圍非常狹小，遠沒有達到全面推廣的時期。

為生物電池能夠更快地得到廣泛應用，科學家們正在不斷努力：

1、開發無介體生物燃料電池

有一類鐵還原性微生物，由於其細胞膜上有豐富的細胞色素，表現出較強的電化學活性，在生物電池中能直接將電子轉移至陽極而不需要藉助任何介體。根據研究，Rhodoferax、ferrireduler和Geobacter-aceae種群的微生物都具有這種功能，它們在電池內發生的反應可表示為：

C6H12O6+6H2O+24Fe→6CO2+24Fe+24H++24e-（鐵作為催化劑）

無介體生物燃料電池的優點主要表現為有充足的空間，有利於提高電子轉移的效率和速率。

2、加強對電極的修飾

學者Derek R.Lovely等用石墨氈和石墨製成的泡沫代替碳棒作為電池的陽極，研究發現電池的電能輸出大大增加，約為原來的三倍。說明增大電極的表面積可以增大吸附在電極表面的微生物和酶的密度，從而增加電量的輸出。Zhen He等在微生物燃料電池中用微生物來修飾陰極，加快了氧氣的還原反應速率，極大地提高了電池輸出的電流密度。

3、選擇合適的質子交換膜

質子交換膜能夠有效地維持電池兩極室內酸鹼度的平衡，保證電池反應的正常進行。Liu和Logan在電池的設計中取消了質子交換膜，結果發現電池的庫侖輸出效率由55%降到了2%;Minetal研究發現如果氧氣由陰極室進入陽極室，電池的庫侖輸出效率會從55%降至19%這說明質子交換膜的質量好壞關係到生物燃料電池的性能，選擇合適的質子交換膜，增強質子的穿透性而降低氧氣的擴散成為了生物燃料電池開發中的一個重要環節。

4、開發光化學生物燃料電池

利用光合細菌或藻類吸收太陽光，並將其轉化成電能的裝置稱為光化學生物燃料電池。科學家曾設計出這樣的一種電池：用石墨作陽極，陽極室由有項圈藻和可溶性奎寧介體；陰極也為石墨電極，電解質溶液為鐵氰化鉀。把這種電池先放在陽光下光照10小時，然後在黑暗的環境中放置10小時，發現可產生1mA的電流(外電路電阻為500Ω)，只不過光子轉化成電子的效率只有0.2%。後來人們又用Synechococcus細菌來代替項圈藻，發現轉化率可提高到3.3%。