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生物电池(bio-fuel cells),是指将生物质能直接转化为电能的装置(生物质蕴涵的能量绝大部分来自于 太阳能,是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的)。从原理上来讲,生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响,互相依存,形成网络,进行生物的能量代谢。
1、单步反应型生物电池,指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。
2、多步反应型生物电池,指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。
3、细胞型生物电池,指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。
它们的主要差别是反映场所不同。分别是"于生物体内","于生物体外"以及"与生物体细胞外"。
1、微生物电池
微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。基本反应类型分为四步:
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)氧气在阳极接收电子,发生氧化还原反应。
阳极反应:C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e
阴极反应:6O2+24H++24e-→12H2O
2、酶电池
酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下:
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,在经外电路到阴极。双氧水得到电子,并在做过的氧化酶的作用下还原成水。
阳极反应:葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-
阴极反应:H2O2+2H++2e-→2H2O
普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的,线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。
与传统的化学电池相比,生物电池具有操作上和功能上的优势。
1、它将底物直接转化为电能,保证了具有高的能量转化效率。
2、不同于现有的生物能处理,生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作,电池维护成本低,安全性强。
3、生物燃料电池不需要进行废气处理,因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳。
4、生物燃料电池具有生物相容性,利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体
5、在缺乏电力基础设施的局部地区,生物燃料电池具有广泛应用的潜力。
自然界的一切生物体都能产生电,这种由生物体产生的电就称为“生物电”。主要是生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化。拓展资料生物电简史:200多年前,人类就发现动物体带电的事实,并利...
刚刚有人想拉我入伙,不知道是不是传销。
生物治疗法基本原理是,提取病人体内不成熟的免疫细胞,应用国际最新的生物技术在体外进行培养后回输到病人体内,不仅可以准确高效的杀灭肿瘤细胞,还能激发机体产生抗肿的免疫反应,从而使免疫系统发挥正常作用以杀...
细菌发电
2013年科学家已经发现,可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来,作为电能。这项重大突破将会导致由 细菌产生的清洁电流,或称"生物电池(bio batteries)"诞生。研究人员制成海洋细菌希瓦氏菌的合成版本,他们仅采用了被认为是这种细菌用来把电子从岩石上转移到体内的蛋白。然后他们把这些蛋白质嵌入到一层层泡囊中,这些是微小的油脂(脂肪)囊,例如组成细菌膜的那些物质。随后他们对电子在细菌体内的给电子体和体外用来提供矿物质的一块金属之间的传输情况进行检测。
该研究成果发表《美国国家科学院院刊》上,它显示,细菌接触到金属或者是矿物质时,它们体内的化学物 质就会生成电流,并通过细胞膜流出体外。这意味着可以把细菌直接"束缚"到电极上,这一发现表明我们又向成功制出高效微生物燃料电池迈进了一大步。
英国东安格利亚大学的生物学家汤姆-克拉克博士说:"我们知道细菌能转移金属和矿物质里的电子,这 种互动主要取决于细菌体表的特殊蛋白。但是我们还不清楚,这些蛋白是直接还是间接通过环境中一种我们不知道的介质做到这些的。我们的研究显示,这些蛋白质能够直接'接触'矿物质表面,并产生电流,这表明细菌可能是依附在金属或者矿物质表面,通过它们的细胞膜传导电流的。事实上这是我们第一次观测到细菌细胞膜的组成成分是如何与不同物质发生互动的,并首次了解了金属和矿物质在细胞表面发生的互动存在多大差异。这些细菌展现出作为微生物燃料电池的巨大潜能,它们可以通过分解家庭或者农业废料产生电流。"
纺织生物电池为可穿戴设备提供动力
宾厄姆顿大学的研究人员开发出了一种纺织生物电池.或将作为未来可穿戴电子产品的基础供能。与该团队之前发明的纸基微生物燃料电池相比,其能产生的功率更大。
电鳗,素有水中“高压线”之称,其捕食猎物时可以轻松放出650 V以上的高电压。电鳗的大部分身体和重要器官都由高绝缘性的组织包裹,发电器官则分布在身体的两侧,在水中就像是一个天然的生物电池。在2017年,弗里堡大学、加利福尼亚大学和密西根大学的研究小组从鳗鱼的放电器官中获得启发,运用regenHU公司的生物3D打印技术,制作出了由多种水凝胶构成的生物电池。该电池可以放出超过100 V的电压,以及其柔软易弯曲和生物相容的特性,非常适合为心脏起搏器、植入式传感器、假肢器官等植入式仪器提供电动力。
研究人员根据电鳗发电的原理,3D打印了生物电池,如上图所示。蓝色的水凝胶中含有高浓度的NaCl溶液,而绿色和黄色的水凝胶分别具有正负离子选择性,扮演着电鳗体内离子通道的作用。当上下两层水凝胶相互接触时,正离子和负离子经由黄绿色通道朝着相反方向流动,形成电流。文献中提到,这样的612个四聚物单元可叠加形成110 V的电压,满足欧洲通用的电源电压标准。另外,为了使大量的四聚物单元可以同时发出电流,研究人员改进了各色水凝胶的排列方式,并采用折叠的方式来实现所有水凝胶同时两两接触,以此稳定并快速地产生高电压电流。
目前,3D打印生物电池的技术还远不够成熟,只能驱动手表这类的非常低能耗的电器。这类生物电池究竟能否运用于植入式生物仪器,还需要长时间的研究和实验。
文中所有图片和数据均来自文献:
Thomas, b, H, Schroeder, Anirvan, Guha, Aaron, Lamoureux, Gloria, VanRenterghem, david, Sept, max, Shtein, Jerry, Yang, &, michael, mayer. An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels[J]. NATURE, 2017, (552): 214-219
以下是仿电鳗生物电池的介绍视频:
据报道,宾厄姆顿大学的研究人员开发出了一种纺织生物电池,或将作为未来可穿戴电子产品的基础供能。由宾厄姆顿大学电气与计算机科学助理教授Seokheun Choi领导的研究人员开发了柔性电池,据说与他之前的纸基微生物燃料电池相比,其能产生的功率更大。
即使经过反复的扭转和拉伸循环,织物基电池仍具有稳定的发电能力。微生物燃料电池被一些人认为是可穿戴设备的最佳电源,因为微生物细胞可以作为生物催化剂,提供稳定的酶促反应和较长的使用寿命。即使从人类身体产生的汗水也可以作为支持细菌活力的潜在燃料。
Choi表示,未来对于灵活和可伸缩的电子设备有一个明确和迫切的需求,因其可以很容易地与各种各样的环境集成以收集实时信息。他补充说,这样的电子设备,即使是在复杂曲线形状的基质上使用,也必须可靠地进行。
可穿戴设备研发还处于初级阶段,但很容易看出这种性质的电池是如何有益的。例如,Levi's Commuter Trucker智能夹克利用可拆卸的“卡扣”来驱动夹克的高级功能。想象一下,如果将其电源直接编织到服装中,那么这样的可穿戴设备会有多好。
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宾厄姆顿大学的研究人员已经开发出一种纺织生物电池,可以作为未来可穿戴电子产品的基础。由宾厄姆顿大学电气与计算机科学助理教授Seokheun Choi领导的研究人员开发了柔性电池,据说与他之前的纸基微生物燃料电池相比,其能产生的功率更大。
即使经过反复的扭转和拉伸循环,织物基电池仍具有稳定的发电能力。微生物燃料电池被一些人认为是可穿戴设备的最佳电源,因为微生物细胞可以作为生物催化剂,提供稳定的酶促反应和较长的使用寿命。即使从人类身体产生的汗水也可以作为支持细菌活力的潜在燃料。
Choi表示,未来对于灵活和可伸缩的电子设备有一个明确和迫切的需求,因其可以很容易地与各种各样的环境集成以收集实时信息。他补充说,这样的电子设备,即使是在复杂曲线形状的基质上使用时,也必须可靠地进行。
可穿戴设备研发还处于初级阶段,但很容易看出这种性质的电池是如何有益的。例如,Levi's Commuter Trucker智能夹克利用可拆卸的“卡扣”来驱动夹克的高级功能。想象一下,如果将其电源直接编织到服装中,那么这样的可穿戴设备会有多好。
这篇名为《柔性和可拉伸生物电池:在单一纺织层中无膜微生物燃料电池的单片集成》的论文在先进能源材料》(Advanced Energy Materials)杂志上发表。
文章来源:cnbeta
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