什么是生物燃料电池(Biofuel Cell)？
生物燃料电池是一种利用生物材料通过氧化还原反应直接发电的装置。这与传统的利用生物燃料燃烧产生的热量发电的装置不同。生物燃料电池技术的原理是模拟各种自然过程用于在生物体内产生能量。在某些情况下，细菌可能在...
生物燃料电池是一种利用生物材料通过氧化还原反应直接发电的装置。这与传统的利用生物燃料燃烧产生的热量发电的装置不同。生物燃料电池技术的原理是模拟各种自然过程用于在生物体内产生能量。在某些情况下，细菌可能在这些燃料电池中发挥作用。截至2011年，生物燃料电池显示出作为替代能源的潜力，以及在各种医疗和生物工程应用中的潜力。
用于制造生物燃料的大片油菜地。生物碳水化合物氧化产生的能量，由植物的光合作用产生，并被动物作为食物摄入。酶促进反应，碳水化合物通过去除电子转化为二氧化碳和水，然后这些电子储存在三磷酸腺苷（ATP）分子中。在生物燃料电池中，有机分子氧化产生的电子——通常是碳水化合物，比如在生物体中——被用来产生电流。利用这些生物过程发电的想法从20世纪60年代就已经出现了，但是早期试图构建一个实用的，工作中的生物燃料电池遇到了困难。一个生物燃料电池通常由一个可渗透的屏障分成两个部分。在一个部分中，碳水化合物（例如葡萄糖）的氧化提供电子。在另一个部分，会发生还原反应，它利用这些电子，通过连接两个电极，可以从氧化区的电极——阳极——到还原区的电极——阴极——产生电流阻碍生物燃料电池发展的最大的实际问题之一是找到一种有效的方法将碳水化合物释放的电子送入阳极。电子最初储存在氧化酶中，在自然过程中，化学转化为ATP分子。在生物燃料电池中，有两种方法可以从酶中提取电子到阳极中。在直接电子转移（DET）方法中，酶需要结合到阳极上。这可以通过化学方法或其他方法来实现，例如用吸附酶的碳纳米管网构建阳极。这些方法会降低酶的活性，从而降低效率，但在撰写本文时，这是一个正在进行研究和改进技术的领域。另一种电子转移方法被称为介导电子转移（MET）。这不需要酶与阳极接触；相反，电子被传递到另一个氧化还原电位较低的分子，然后将电子交给阳极。这种化合物被称为介体，它还必须具有比阳极更高的氧化还原电位。这一额外步骤涉及能量损失，因此燃料电池实际上的效率低于理论上的效率。生物燃料电池是一个活跃的研究领域，目前正在研究解决这些问题的各种可能方法。其中一种可能性是使用细菌在微生物燃料电池中，生活在厌氧条件下的铁还原菌表现出独特的前景，因为它们能自然地将铁从3氧化状态还原到2氧化状态，然后铁可以在阳极上释放一个电子，通过将电子从细菌转移到阳极而恢复到3状态并充当一个天然的介体分子生物燃料电池的主要优点是无污染，不需要昂贵的催化剂，并且使用普通、廉价和易于再生的原材料。生物燃料电池的主要缺点是效率低和功率输出低。然而，到2011年，这些问题有望被克服，开辟了一系列新的可能性，不仅包括廉价、清洁和可再生能源，还包括利用人体产生的物质运行的植入生物燃料电池，用于为起搏器等医疗设备提供动力。
用于制造生物燃料的大片油菜地。生物碳水化合物氧化产生的能量，由植物的光合作用产生，并被动物作为食物摄入。酶促进反应，碳水化合物通过去除电子转化为二氧化碳和水，然后这些电子储存在三磷酸腺苷（ATP）分子中。在生物燃料电池中，有机分子氧化产生的电子——通常是碳水化合物，比如在生物体中——被用来产生电流。利用这些生物过程发电的想法从20世纪60年代就已经出现了，但是早期试图构建一个实用的，工作中的生物燃料电池遇到了困难。一个生物燃料电池通常由一个可渗透的屏障分成两个部分。在一个部分中，碳水化合物（例如葡萄糖）的氧化提供电子。在另一个部分，会发生还原反应，它利用这些电子，通过连接两个电极，可以从氧化区的电极——阳极——到还原区的电极——阴极——产生电流阻碍生物燃料电池发展的最大的实际问题之一是找到一种有效的方法将碳水化合物释放的电子送入阳极。电子最初储存在氧化酶中，在自然过程中，化学转化为ATP分子。在生物燃料电池中，有两种方法可以从酶中提取电子到阳极中。在直接电子转移（DET）方法中，酶需要结合到阳极上。这可以通过化学方法或其他方法来实现，例如用吸附酶的碳纳米管网构建阳极。这些方法会降低酶的活性，从而降低效率，但在撰写本文时，这是一个正在进行研究和改进技术的领域。另一种电子转移方法被称为介导电子转移（MET）。这不需要酶与阳极接触；相反，电子被传递到另一个氧化还原电位较低的分子，然后将电子交给阳极。这种化合物被称为介体，它还必须具有比阳极更高的氧化还原电位。这一额外步骤涉及能量损失，因此燃料电池实际上的效率低于理论上的效率。生物燃料电池是一个活跃的研究领域，目前正在研究解决这些问题的各种可能方法。其中一种可能性是使用细菌在微生物燃料电池中，生活在厌氧条件下的铁还原菌表现出独特的前景，因为它们能自然地将铁从3氧化状态还原到2氧化状态，然后铁可以在阳极上释放一个电子，通过将电子从细菌转移到阳极而恢复到3状态并充当一个天然的介体分子生物燃料电池的主要优点是无污染，不需要昂贵的催化剂，并且使用普通、廉价和易于再生的原材料。生物燃料电池的主要缺点是效率低和功率输出低。然而，到2011年，这些问题有望被克服，开辟了一系列新的可能性，不仅包括廉价、清洁和可再生能源，还包括利用人体产生的物质运行的植入生物燃料电池，用于为起搏器等医疗设备提供动力。
- 发表于 2020-09-07 15:22
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