太阳能电池与微生物燃料电池

微生物燃料电池有发电与废水处理的双重功效，它的研制代表了当今最前沿的废弃物资源化利用的发展趋势，有望成为有机废弃物能源化处置的关键性技术，为未来的污染处理与能源需求提供了一个可行的突破口，展现了新能源开发和利用的广阔前景MFC是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。

1911年英国植物学家Pottery用酵母和大肠杆菌进行。采用的微生物燃料电池，装置部分为  ，两室体积均为500mL，中间以6cmx10cm的阳离子交换膜（CEM）分隔阴阳极电极均为0.5cmx5cmx7cm（厚度x宽度x长度）的粗糙石墨棒。电极分别放入1mol/LHC1与1mol/LNaOH溶液中浸泡1h，洗净后置于去离子水中待用石墨电极使用铜导线缠绕了20圈引出，钻孔周围用充满了一种不导电环氧树脂密封以避免腐蚀，两电极间距大约为12cm.本文采用传统p-n型硅太阳能电池，使用模拟日光光源（风冷Xe灯），整个MFC体系在无光照情况下相当于断路。硅太阳能电池与光源之间的距离为100cm太阳能电池表面辐照强度为79mW/cm2，光照硅太阳能电池和MFC体系协同作用的新型的MFC体系装置中阳极微生物由厌氧活性污泥提供，培养回路电流/mA粉组成，阳极初始pH值为7.3（±0.2）。培养基用无菌氮气通气30min除去溶液中的氧，密封保持厌氧状态。阴极室使用1mol/LKCl的电解质溶液，同时用气管往阴极室通入空气，保证MFC阴极室KCl电解质溶液中的2含量，使得阴极的还原反应能够正常进行。所有。

太阳能电池与MFC协同作用体系的极化曲线（-U）与输出功率密度曲线（-P）3实验结果与分析实验结果表明，太阳能电池与MFC协同作用体系中，开路电压―1004.51mV，短路电流I=0.72mA，拟合得到新的体系内阻为只一1280n，此内阻包含限流电阻（1000n）。最大输出功率密度为Pax―275mW/m3，此时外负载阻值与电池体系的内阻大小相仿，与理论较为一致。

对照实验曲线，光照硅太阳能电池MFC体系内阻（1280⑴大于普通MFC体系内阻（251⑶。由于光照硅太阳能电池MFC内阻包括限流电阻ia因此，在光照条件下，硅太阳能电池的引入并没有给MFC体系带来较大的额外内阻。

太阳能电池与MFC协同作用体系与普通MFC体系表明硅太阳能电池与MFC协同作用体系输出功率密度（275mW/m3）明显高于普通MFC体系的输出功率密度（140mW/m3），回路电流从普通MFC体系的0.61mA提高到0.72mA，而回路电流大小与阴阳极反应速率成正比，所以使用本文设计的新的MFC体系降解污染物，降解速率将大幅度的提高。通过实验，我们进一步发现，普通MFC在达到最大输出功率点以后迅速下降，表明微生物己经无法正常提供更多的电子。这表明，构造新型MFC体系十分必要，也非常迫切。另外，由于本文中新型MFC体系使用了限流电阻，所以外负载的输出功率在输出电流相对较小的情况达到最大值，而下一步我们也将研究更合适的太阳能电池与微生物燃料的协同工作特性，以达到在更高输出电流密度下有最大输出功率的目的。

单独MFC体系输出功率密度回路电流/mA太阳能电池与MFC协同作用体系与普通MFC体系功率曲线对照太阳能电池与MFC协同作用体系的光催化工作机理原理图同时，本文对太阳能电池与MFC协同作用体系的光催化工作机理进行了分析。在阳极室，微生物氧化初始电子供体乙酸获取能量，同时产生电子，电子经微生物传递到阳极，再经由阳极电极传递至外电路并到达太阳能电池正极。在光照条件下，太阳能电池产生光生电子空穴对，在有向电场的拉动下，光生电子通过导线向阴极室电解质溶液移动，并与电子受体发生电化学反应，而光生空穴向太阳能电池正极移动，与阳极来的电子复合。因此表明光催化作用的引入改善了MFC体系阴极的接受电子能力，使得阳极提供电子的能力得到最大限度的发挥。因而，太阳能电池促进了微生物燃料电池体系效率的提高，实现了与MFC的协同作用。

太阳能电池协同MFC体系利用了光能以及微生物能两种清洁能源，相对于单独MFC体系有更高的效率，因而具有更加重要的研发价值。

4结论针对目前微生物燃料电池（MFC）研究方面的一些瓶颈，本论文主要对一种利用半导体光催化和微生物催化协同作用的新型MFC体系性能进行了研究，即在MFC外电路中接入硅太阳能电池，构成“光电池-微生物燃料电池”体系，实现半导体光催化与微生物催化的协同作用。实验中，我们获得了太阳能电池与MFC协同作用体系中诸如开路电压、短路电流、最大输出功率密度等方面的可靠数据，发现并确定这种新型MFC体系的性能相对于单独MFC有显著的提高，这也为MFC体系提高污染物的降解速率提供了基础。太阳能电池的引入，给MFC体系的运转提供了一部分动力，使得两种清洁能源发挥协同作用，融为一体，对解决能源危机、治理环境污染具有重要意义。