漫谈生物燃料电池

　　电池在我们的生活中发挥着非常重要的作用，但在使用过程中却带来了严重的环境问
题。一节一号电池腐烂在地里，能使一平方米土壤永久失去利用价值；一粒纽扣电池可使
600 吨水受到污染，相当于一个人一生的饮水量。严峻的现实迫使我们寻找电池发展的新出
路，生物燃料电池的问世让我们看到了曙光。本文初步介绍了生物燃料电池的基本情况，以
期能开阔视野，对中学化学教学有所裨益。

 

　　

1 穿越历史，生物燃料电池向我们走来 

　　早在

19 世纪初，英国化学家戴维就提出了燃料电池的设想，1839 年英国人格拉夫发

明了最早的氢燃料电池

[1]。可以说发展到今天，氢燃料电池已成为了最成熟的燃料电池，

但在氢气的制备、输送、电池的能量转化率、使用安全性等方面存在许多问题，陷入了尴尬的
发展处境

[2]。生物燃料电池的出现又让我们充满了新的期待。 

　　生物燃料电池的发展可追溯到

20 世纪初，1910 年英国杜汉姆大学植物学教授 Michael 

Cresse Potter 用酵母和大肠杆菌进行试验时，发现了微生物也可以产生电流 ,从而拉开了生
物燃料电池研究的序幕。六十年代，为了将长途太空飞行中的有机废物转化成电能，美国航
空航天管理局投入了大量的人力和物力进行研究，真正掀起了生物燃料电池研究的高潮。后
来尽管由于技术原因，生物燃料电池曾一度陷入停滞状态，但七、八十年代出现的石油危机
又让电池家族的新成员成为人们瞩目的中心，自此之后迎来了更加广阔的发展前景

[3]。 

　　简言之，生物燃料电池就是以微生物、酶为催化剂，将有机物（如糖类等）中的化学能
直接转化成电能的一种电化学装置。根据电池中使用的催化剂种类，可将生物燃料电池分为
微生物燃料电池和酶燃料电池两种类型。

 

　　

2 两种典型的生物燃料电池 

　　

2.1 微生物燃料电池 

　　典型的微生物燃料电池如上图所示，它由阳极室和阴极室组成，质子交换膜将两室分
隔开。它的基本工作原理可分为四步来描述

:(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)氧气在阴极接收电子，发生还原反应。我们以葡萄糖为例

来具体地说明这个过程

[1]： 

　　阳极半反应：

 

　　

C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e-E0=0.014V 

　　氧化态介体

 + e-→还原态介体 

　　阴极半反应

: 

　　

6O2+24H++24e-→12H2O E0=1.23V 

　　

2.2 酶燃料电池 

　　如下图，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，再经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在微过氧化酶的作用下还
原成水。

 

　　阳极半反应：葡萄糖

→葡萄糖酸＋2H++2e 

　　阴极半反应：

H2O2+2H++2e→2H2O[3] 

　　

2.3 生物燃料电池中的介体及其作用 

　　

2.3.1 介体的作用 

　　在生物电池的设计中一个最大的技术瓶颈就是如何有效地将电子从底物运送至电池的
阳极。科学家设想在阳极室加入一种或几种化学物质，作为运输电子的介体。介体的作用如
图

3 所示。 

　　

2.3.2 介体需满足的条件[1][3]