太陽能電池與微生物燃料電池

微生物燃料電池有發電與廢水處理的雙重功效，它的研制代表了當今最前沿的廢棄物資源化利用的發展趨勢，有望成為有機廢棄物能源化處置的關鍵性技術，為未來的污染處理與能源需求提供了一個可行的突破口，展現了新能源開發和利用的廣闊前景MFC是一種利用微生物作為催化劑，將燃料中的化學能直接轉化為電能的生物反應器。

1911年英國植物學家Pottery用酵母和大腸桿菌進行。采用的微生物燃料電池，裝置部分為  ，兩室體積均為500mL，中間以6cmx10cm的陽離子交換膜（CEM）分隔陰陽極電極均為0.5cmx5cmx7cm（厚度x寬度x長度）的粗糙石墨棒。電極分別放入1mol/LHC1與1mol/LNaOH溶液中浸泡1h，洗凈后置于去離子水中待用石墨電極使用銅導線纏繞了20圈引出，鉆孔周圍用充滿了一種不導電環氧樹脂密封以避免腐蝕，兩電極間距大約為12cm.本文采用傳統p-n型硅太陽能電池，使用模擬日光光源（風冷Xe燈），整個MFC體系在無光照情況下相當于斷路。硅太陽能電池與光源之間的距離為100cm太陽能電池表面輻照強度為79mW/cm2，光照硅太陽能電池和MFC體系協同作用的新型的MFC體系裝置中陽極微生物由厭氧活性污泥提供，培養回路電流/mA粉組成，陽極初始pH值為7.3（±0.2）。培養基用無菌氮氣通氣30min除去溶液中的氧，密封保持厭氧狀態。陰極室使用1mol/LKCl的電解質溶液，同時用氣管往陰極室通入空氣，保證MFC陰極室KCl電解質溶液中的2含量，使得陰極的還原反應能夠正常進行。所有。

太陽能電池與MFC協同作用體系的極化曲線（-U）與輸出功率密度曲線（-P）3實驗結果與分析實驗結果表明，太陽能電池與MFC協同作用體系中，開路電壓―1004.51mV，短路電流I=0.72mA，擬合得到新的體系內阻為只一1280n，此內阻包含限流電阻（1000n）。最大輸出功率密度為Pax―275mW/m3，此時外負載阻值與電池體系的內阻大小相仿，與理論較為一致。

對照實驗曲線，光照硅太陽能電池MFC體系內阻（1280⑴大于普通MFC體系內阻（251⑶。由于光照硅太陽能電池MFC內阻包括限流電阻ia因此，在光照條件下，硅太陽能電池的引入并沒有給MFC體系帶來較大的額外內阻。

太陽能電池與MFC協同作用體系與普通MFC體系表明硅太陽能電池與MFC協同作用體系輸出功率密度（275mW/m3）明顯高于普通MFC體系的輸出功率密度（140mW/m3），回路電流從普通MFC體系的0.61mA提高到0.72mA，而回路電流大小與陰陽極反應速率成正比，所以使用本文設計的新的MFC體系降解污染物，降解速率將大幅度的提高。通過實驗，我們進一步發現，普通MFC在達到最大輸出功率點以后迅速下降，表明微生物己經無法正常提供更多的電子。這表明，構造新型MFC體系十分必要，也非常迫切。另外，由于本文中新型MFC體系使用了限流電阻，所以外負載的輸出功率在輸出電流相對較小的情況達到最大值，而下一步我們也將研究更合適的太陽能電池與微生物燃料的協同工作特性，以達到在更高輸出電流密度下有最大輸出功率的目的。

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單獨MFC體系輸出功率密度回路電流/mA太陽能電池與MFC協同作用體系與普通MFC體系功率曲線對照太陽能電池與MFC協同作用體系的光催化工作機理原理圖同時，本文對太陽能電池與MFC協同作用體系的光催化工作機理進行了分析。在陽極室，微生物氧化初始電子供體乙酸獲取能量，同時產生電子，電子經微生物傳遞到陽極，再經由陽極電極傳遞至外電路并到達太陽能電池正極。在光照條件下，太陽能電池產生光生電子空穴對，在有向電場的拉動下，光生電子通過導線向陰極室電解質溶液移動，并與電子受體發生電化學反應，而光生空穴向太陽能電池正極移動，與陽極來的電子復合。因此表明光催化作用的引入改善了MFC體系陰極的接受電子能力，使得陽極提供電子的能力得到最大限度的發揮。因而，太陽能電池促進了微生物燃料電池體系效率的提高，實現了與MFC的協同作用。

太陽能電池協同MFC體系利用了光能以及微生物能兩種清潔能源，相對于單獨MFC體系有更高的效率，因而具有更加重要的研發價值。

4結論針對目前微生物燃料電池（MFC）研究方面的一些瓶頸，本論文主要對一種利用半導體光催化和微生物催化協同作用的新型MFC體系性能進行了研究，即在MFC外電路中接入硅太陽能電池，構成“光電池-微生物燃料電池”體系，實現半導體光催化與微生物催化的協同作用。實驗中，我們獲得了太陽能電池與MFC協同作用體系中諸如開路電壓、短路電流、最大輸出功率密度等方面的可靠數據，發現并確定這種新型MFC體系的性能相對于單獨MFC有顯著的提高，這也為MFC體系提高污染物的降解速率提供了基礎。太陽能電池的引入，給MFC體系的運轉提供了一部分動力，使得兩種清潔能源發揮協同作用，融為一體，對解決能源危機、治理環境污染具有重要意義。