生物燃料電池是一種利用生物材料通過氧化還原反應直接發電的裝置。這與傳統的利用生物燃料燃燒產生的熱量發電的裝置不同。生物燃料電池技術的原理是模擬各種自然過程用于在生物體內產生能量。在某些情況下,細菌可能在...
生物燃料電池是一種利用生物材料通過氧化還原反應直接發電的裝置。這與傳統的利用生物燃料燃燒產生的熱量發電的裝置不同。生物燃料電池技術的原理是模擬各種自然過程用于在生物體內產生能量。在某些情況下,細菌可能在這些燃料電池中發揮作用。截至2011年,生物燃料電池顯示出作為替代能源的潛力,以及在各種醫療和生物工程應用中的潛力。

用于制造生物燃料的大片油菜地。生物碳水化合物氧化產生的能量,由植物的光合作用產生,并被動物作為食物攝入。酶促進反應,碳水化合物通過去除電子轉化為二氧化碳和水,然后這些電子儲存在三磷酸腺苷(ATP)分子中。在生物燃料電池中,有機分子氧化產生的電子——通常是碳水化合物,比如在生物體中——被用來產生電流。利用這些生物過程發電的想法從20世紀60年代就已經出現了,但是早期試圖構建一個實用的,工作中的生物燃料電池遇到了困難。一個生物燃料電池通常由一個可滲透的屏障分成兩個部分。在一個部分中,碳水化合物(例如葡萄糖)的氧化提供電子。在另一個部分,會發生還原反應,它利用這些電子,通過連接兩個電極,可以從氧化區的電極——陽極——到還原區的電極——陰極——產生電流阻礙生物燃料電池發展的最大的實際問題之一是找到一種有效的方法將碳水化合物釋放的電子送入陽極。電子最初儲存在氧化酶中,在自然過程中,化學轉化為ATP分子。在生物燃料電池中,有兩種方法可以從酶中提取電子到陽極中。在直接電子轉移(DET)方法中,酶需要結合到陽極上。這可以通過化學方法或其他方法來實現,例如用吸附酶的碳納米管網構建陽極。這些方法會降低酶的活性,從而降低效率,但在撰寫本文時,這是一個正在進行研究和改進技術的領域。另一種電子轉移方法被稱為介導電子轉移(MET)。這不需要酶與陽極接觸;相反,電子被傳遞到另一個氧化還原電位較低的分子,然后將電子交給陽極。這種化合物被稱為介體,它還必須具有比陽極更高的氧化還原電位。這一額外步驟涉及能量損失,因此燃料電池實際上的效率低于理論上的效率。生物燃料電池是一個活躍的研究領域,目前正在研究解決這些問題的各種可能方法。其中一種可能性是使用細菌在微生物燃料電池中,生活在厭氧條件下的鐵還原菌表現出獨特的前景,因為它們能自然地將鐵從3氧化狀態還原到2氧化狀態,然后鐵可以在陽極上釋放一個電子,通過將電子從細菌轉移到陽極而恢復到3狀態并充當一個天然的介體分子生物燃料電池的主要優點是無污染,不需要昂貴的催化劑,并且使用普通、廉價和易于再生的原材料。生物燃料電池的主要缺點是效率低和功率輸出低。然而,到2011年,這些問題有望被克服,開辟了一系列新的可能性,不僅包括廉價、清潔和可再生能源,還包括利用人體產生的物質運行的植入生物燃料電池,用于為起搏器等醫療設備提供動力。