世界熱議:微生物燃料電池：向廢物要能量

據道瓊斯公司旗下財經網站最新消息，全球微生物燃料電池市場將在2028年達到可觀規模。微生物燃料電池再次成為新能源的熱點話題。

早在20世紀60年代，美國國家航空航天局就對有機廢物轉化為電力產生興趣。1984年，美國科研人員成功制造了一種能在太空中使用的微生物燃料電池，其燃料主要是宇航員的尿液等排泄物，不過，當時的放電率極低。近幾年，在科學家的不斷努力下，利用微生物發電的技術出現了更大的突破。

2021年，華人科學家段鑲鋒和黃昱課題組在國際知名學術期刊《科學》上發表的重磅論文稱，已將微生物燃料電池的功率密度提升到每平方厘米0.66毫瓦，實現了成倍增長，引起業界廣泛關注。美國馬薩諸塞州大學微生物學家德里克·洛夫利團隊，將微生物燃料電池設計思路，應用于柔性可穿戴電子器件中，為該領域帶來了更多新機遇。

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微生物燃料電池發電的原理，主要是利用一類叫作胞外產電菌的微生物。在陽極側，胞外產電菌通過分解有機物產生細胞外電子，人為通過導線構建外電路，實現對這些電子的利用；在陰極側，空氣中的氧氣接受電子發生氧還原反應生成水。

目前，具有產電優勢的胞外產電菌，包括硫還原地桿菌和希瓦氏菌。最新研究發現，硫還原地桿菌能產生納米導線，并通過納米導線向電極傳遞電子，其導電率超過每厘米30西門子。另一方面，希瓦氏菌可以將銀離子還原成銀納米線，作為其向外傳遞電子的通道。在希瓦氏菌體系微生物燃料電池中，引入金屬銀離子可以實現更高的電子傳遞效率。除了通過導電納米線接觸電極材料表面直接進行電子傳遞，胞外產電菌還通過一些電子穿梭介體進行與電極之間的電子傳遞過程。

在電極材料方面，碳材料由于簡單易得、成本低，以及生物相容性好而得到廣泛使用。然而，單一的碳材料在電化學性能方面表現一般。近年來，通過一系列化學和物理修飾方法，科研人員對碳材料電極進行改性，進一步提高了與胞外產電菌之間的電子傳遞效率。為了進一步提高電極上胞外產電菌的負載量，提高產電性能，設計三維結構電極也受到了越來越多的關注。

微生物燃料電池擁有廣闊的應用前景，從最初的美國國家航空航天局將其應用于空間站的宇航員日常生活，到現在美國海軍計劃將其應用于半潛式無人潛航器等新型水下裝備，可謂上天下海，盡顯其能。2003年，科研人員研制出第一個利用微生物燃料電池作為動力來源的機器人。這款機器人使用電解電容器臨時存儲來自微生物燃料電池的能量，一旦充滿，能量就被釋放出來驅動運動馬達使其移動。

近年來，由于微生物燃料電池技術逐漸成熟，受到商業資本青睞，走向民用領域。目前，一些公司，比如美國泥瓦特和荷蘭植物電出售微生物燃料電池產品，可以為移動電話等小型電子設備充電。然而，這些產品相比于目前的儲能電池而言，體積要大幾十倍，需要進一步提升單位體積的功率密度。

更有意思的是，英國西英格蘭大學的科研人員，在非洲烏干達為當地的一所女子學校安裝了微生物燃料電池組，通過將尿液轉化為電能，可以給廁所和校內的一條通道提供照明，有效解決了學校電力供應不足的問題。對于衛生條件堪憂和電力尚未完全普及的某些區域，微生物燃料電池技術有望產生巨大的影響。

微生物燃料電池是一種可以從廢物中產生能量，而不需要輸入外部或額外能量的先進技術，同時可以應用于污染物降解，實現對生態環境的保護。通過對微生物燃料電池技術的不斷研究，我們或許能夠找到一條解決全球環境問題的辦法。

（第一作者系華中科技大學環境科學與工程學院教授、博士生導師，第二作者系華中科技大學環境科學與工程學院在讀博士）

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