海泥细菌电池技术原理与特点及其应用前景分析研究——一种新型海洋可再生能源技术

付哲平，李子健

（1.中国海洋大学工程学院 青岛 266100；2.中国海洋大学材料科学与工程研究院 青岛 266100）

海泥细菌电池技术原理与特点及其应用前景分析研究
——一种新型海洋可再生能源技术

付哲平1，李子健2

（1.中国海洋大学工程学院 青岛 266100；2.中国海洋大学材料科学与工程研究院 青岛 266100）

文章简要描述了一种海底沉积层生物燃料电池能源（简称海泥细菌电池）的产电原理、技术特点和潜在应用。不同于以海水为主体的传统海洋可再生能源，这是一种以海底沉积物（海泥）为能量来源，通过细菌代谢有机物而产生电能的新型海洋可再生能源。海泥细菌电池可以作为电源在海底原位长期驱动监测仪器运行，在海底仪器电源自供给技术及其长期运行方面具有良好的应用前景，将来可望服务于“透明海洋”研究等海洋开发的诸多方面。

海洋可再生能源；海底沉积层；微生物燃料电池；自供给电源；海底仪器

海洋可再生能源一般包括海洋潮流能、潮汐能、波浪能、温差能、盐差能等与海水有关的能源，海水庞大的体积可以产生巨大的电力。海洋还蕴藏着另一种巨大的能源，那就是海底沉积物所蕴含的电能，这是一种人们尚未开发的海洋能源。那么，海底沉积物（俗称海泥）如何产生电能呢？其秘密在于海泥中的细菌。

1 海泥细菌电池技术原理

与陆地细菌一样，海泥细菌种类繁多、数量巨大，是一个巨大的生物群体，它们是整个海洋生物化学循环的最底端。由于海洋环境条件的限制（例如海水压力，海底高保真取样装备等），迄今为止，人们对它们的认识还很少。正如人类需要吃食物，通过代谢，促进自身生长繁殖一样，海泥细菌也存在正常的代谢过程，消耗海底沉积层中的有机物或无机物，自身获得营养，在物质代谢、转化过程中，细菌同时产生电子。如图1所示，科学家为了捕获海泥细菌产生的电子收获电能，在海泥中埋置导电碳材料作为电极（负极），细菌附着在负极表面将自身代谢产生的电子引出到导线，传输到海水中的正极，在正极表面发生海水溶解氧的还原反应生成水（4H＋＋4e＋O2＝2H2O，其中H＋来自于海泥细菌代谢产物），从而构成电池回路［1］。

图1 海泥细菌电池工作原理示意图

海泥层内部为厌氧环境，氧化还原电位为负值，而含有溶解氧的海水氧化还原电位为正值，二者电位差构成电池电压，从而将细菌产生的电子“压”出来。中国海洋大学科学家发现海泥细菌电池的电压可以高达0.8V，在这种海水／海泥界面存在的天然电压驱动下，海泥细菌产生的电子可以源源不断传输出来，持续产生电能。这就是海泥细菌发电技术的原理，也可称之为海底沉积层生物燃料电池，为便于理解和记忆，本文简称海泥细菌电池。

2 海泥细菌电池技术特点和研究现状

海泥细菌电池不同于一般原电池的概念，它主要利用天然的海泥层作为负极导电介质，以有机物和无机物作为燃料及电子来源，以海水层作为正极的导电介质，海水溶解氧作为氧化剂，消耗电子。海底沉积物和海水均作为电池电极材料的一部分，共同构成海泥细菌电池。

海泥细菌电池具有许多独特的特点，这表现在①海泥电池利用海底沉积层／海水天然界面作为“质子交换膜材料”，不需要任何人工膜材料，而一般的燃料电池需要昂贵的质子交换膜。②正极不需要昂贵的催化剂，自发发生氧的还原反应，一般燃料电池正极需要贵金属催化剂（如金属铂催化剂催化燃料气体反应2H2＋O2＝2H2O）。③海水和海泥作为电极电解质一部分富含盐分，导电性高，内阻小，有利于电池电能输出。④海水流动性强，海水压力大，仅在海底作为电源原位使用。⑤海泥细菌电池理论上可以长期产电，满足长期供电需求。因此，这种新能源电池具有鲜明的海洋技术特点，是对传统海洋可再生能源的重要补充。

为了提高海泥细菌电池性能，人们开发利用了不同电极材料。电池材料（尤其是负极）一般为导电碳材料，其表面附着的产电细菌数量和种类显著影响电池功率。材料科学家为了提高海泥细菌电池的产电能力，在电池负极材料表面结合或修饰一些高分子材料（如导电聚苯胺）或无机金属离子（如铁、锰金属氧化物），或者通过电化学氧化处理方法，这些修饰分子提高了负极表面的亲水性（湿润性）。如图2所示，负极材料改性修饰后，表面亲水性显著提高，海泥细菌附着数量增加，产生更多的电子，输出更高的功率［2］。

图2 负极碳材料表面修饰分子导致的润湿角和亲水性变化［2］

研究结果表明：导电石墨表面疏水性较高，不利于细菌附着，而负极润湿性的提高，有利于细菌附着，细菌和负极接触面积增大，其作用效果如图3所示［3］。测试结果表明，改性负极表面附着细菌的种类和数量提高3～5倍，则电池可输出更多的电流。材料科学家的这种设计思路相当于在负极表面营造一个“舒适环境”，吸引更多优秀人才（如产电细菌）来此“定居产电”。

图3 负极碳材料表面分子修饰后对附着细菌的影响，细菌接触面积加大［3］

笔者曾经利用一种导电性良好的新型石墨烯材料，修饰海泥细菌电池阳极，与空白相比，海泥细菌电池产电效率提高11%左右。石墨烯是一种新型碳材料，由sp2杂化碳形成的二维单层大π结构，使石墨烯具有优异的导电性。石墨烯的比表面积理论上可达到2 630m2／g，而且具有相当好的化学稳定性。目前，石墨烯已经成为科学家们研究的热点，用于开发新型电极材料，例如微型电极，柔软电极等［4］，我们拟进一步优化石墨烯比例，改性海泥细菌电池负极，进一步提高功率。

海泥细菌负极表面结合金属氧化物，例如氧化铁、氧化锰等，可以显著提高自身的产电性能，特别是表面的多价金属离子（例如铁离子，锰离子），由于负极氧化还原电位的存在，一方面，Fe2＋离子失去电子，将电子转移到负极，Fe2＋生成Fe3＋；另一方面，Fe3＋接收负极表面细菌传递的电子，又生成Fe2＋，故金属铁离子相当于一个“电子梭”，在细菌生物膜和电池负极之间架起“桥梁”，实现快速电子转移（图4），提高电子转移动力学［5］。海泥细菌电池负极金属氧化物改性可以显著提高电子转移速率，提高电池产电功率［5－7］。

图4 海泥细菌电池负极表面铁氧化物改性中铁离子价态变化作为电子梭转移电子示意图［5］

据科学家报道这种海泥细菌电池产生的电力可达200mW／m2（负极面积），电池电压经过电子器件升压可以达到5V，12V，24V，可满足小型仪器用电的电压需求。尽管海泥细菌电池的电能输出还比较低，但是科学家利用超级电容器源源不断储存细菌产生的电子和电能，以满足海底小型监测仪器用电需求。根据2012年《中国海洋大学学报》的报道，海泥细菌电池已经在胶州湾实海驱动小型电子器件的运行（钟表、计算器等）［8］。根据2014年12月中国海洋大学网站的报道，海泥细菌电池已经在胶州湾完成大型装置的布放、海底长期运行并驱动监测仪器（如温深仪TD 5V，海洋水温仪5V，温盐深CTD 12V等）的长期运行14个月以上（图5）［9］，迄今该装置已经在海上驱动仪器连续运行17个月以上，显示出海泥细菌电池的巨大应用前景。

因此，海底沉积层微生物燃料电池是一种新型海洋可再生能源，该能源通过海泥细菌把有机物的化学能直接转化为电能输出。在海底，海泥细菌电池正极、负极均为开放体系，提供电池电极反应所必需的原料，理论上具有无限产电的能力。因此，海底广阔无垠的沉积层蕴藏着巨大的电力，海泥细菌发电技术为人类利用海底能源提供了一把钥匙。

图5 海泥细菌电池大型装备海底布放

3 海泥细菌电池的潜在应用前景

在能源日益紧张的今天，能源的竞争已经成为一个国家可持续发展的核心问题，而海洋是能源的巨大宝库，海洋可再生能源技术日益受到人类的重视。海泥细菌电池可望作为一种新型海底能源供人类开发利用，既无损耗也无污染，是一种理想的能量来源。

我国目前正在由“海洋大国”向“海洋强国”迈进，人们对海洋的认识日益深入，建设“透明海洋”日益成为人们的共识，根据中国海洋大学教授吴立新院士的观点，“透明海洋”包含状态透明、过程透明、变化透明3个密切相关的层面，其实现途径离不开海洋观测、认知和预测三位一体的研究［10］。所有这些海洋观测、监测体系（例如海底观察站、海底网络基站等）在海底长期工作都需要长期电源的支撑（图6）。

目前，水下监测仪器的电源主要是高能电池或深海电缆，但这些电源难以满足深远海开发的需求，例如，高能电池在海底使用寿命短，易于导致爆炸；远距离输电电缆容易受到各种破坏和损坏。而海泥细菌电池作为原位电源技术，可以直接或间接为海底监测仪器供电，保障监测仪器在海底长期工作。

图6 海底观察网络基站示意图

水下居住一直是人们的梦想，它能缓解人口的快速增长与地球土地资源紧张的矛盾。如图7所示，人们设计了大量的水下建筑和舱体，供人们居住和开展研究，但水下居住最关键的问题之一是电力供应，如何在水下获得自身人类生存所需要的电源是解决该问题的瓶颈。海泥细菌电池及海底沉积层所蕴含的无尽电力，可望为人类水下居住提供电源。

图7 水下居住舱示意图

水下机器人是人们开展深远海研究的得力助手（图8）。大型海泥细菌电池装备和其配套的超级电容器还可以在海底建设成为“供电站”，当水下机器人电力消耗将尽之前，它可以利用海泥细菌电池装备充电，而不必上浮到海面更换电池。当机器人充满电能离开充电站继续工作时，海泥细菌电池自身产生的电能储存起来，以满足下次使用。这样既减少技术风险，又节省海上施工时间和节约经费。这就与汽车加油站的使用效果类似。

图8 水下机器人（加拿大）

从国防需求看，海底长期探测、预警仪器需要在水下“守株待兔”地长期工作，其对仪器电源提出了更为苛刻的要求，不仅要求仪器电源长期有效，而且要求电源隐蔽性强。相比于各种远距离输电电缆和高能电池，海泥细菌电池作为一种原位电源具有独特的应用优势。深远海海洋工程装备防腐蚀常用方法是外加电流阴极保护，这需要长期有效的外加直流电源，海泥细菌电池可以作为外加直流电源，提供长期的腐蚀保护。目前，中国海洋大学已经获得国内首个海泥细菌电池作为直流电源用于外加电流阴极保护的授权专利［11］。

除作为海底长期电源以外，海泥细菌电池技术在海底石油污染生态修复技术方面也有潜在的应用。长期以来，海底石油污染越来越严重，已经严重影响了生态平衡，如何高效地治理海底石油污染成为人类关注的海洋环境课题。由于海水的流动性和海底环境的特殊性，传统石油污染处理方法无法在海底使用，而在海泥细菌电池技术中，电池“燃料”消耗的本质是有机污染物的微生物降解，一方面石油污染物本身可以作为细菌代谢的营养物，石油污染物显著提高电池产电性能；另一方面，电池功能是把细菌产生的电子“转运”出来，通过用电负载消耗掉，这反过来也会显著提高细菌的代谢活性，进一步加速降解［12－13］。

因此，海泥细菌电池是一种集海底原位发电、仪器自主供电和生态修复三位一体的海洋绿色环保新技术［14］。

4 结论

海泥细菌电池是一种新型海洋可再生能源，具有许多独特的技术特点和应用前景。其在海底仪器水下电源技术、海洋新能源开发等方面，具有潜在的应用价值和海洋效益。

［1］ LOGAN B E.微生物燃料电池［M］.冯玉杰，王鑫，译.北京：化学工业出版社，2009：153－161.

［2］ 李建海.海底沉积物微生物燃料电池阳极表面改性及电极构型研究［D］.青岛：中国海洋大学，2010.

［3］ 张业龙.碳材料在海底沉积物燃料电池中的应用研究［D］.青岛：中国海洋大学，2013.

［4］ 朱宏伟，石墨烯.单原子层二维碳晶体：2010年诺贝尔物理学奖简介［J］.自然杂志，2010，32（6）：326－331.

［5］ FU Yubin，XU Qian，ZAI Xuerong，et al.Low electrical potential anode modified with Fe／ferric oxide and its application in marine benthic microbial fuel cell with higher voltage and power output［J］.Applied Surface Science，2014，289，472－477.

［6］ 李魁忠，付玉彬，徐谦，等.海底微生物燃料电池阳极锰盐改性及产电性能研究［J］.材料开发与应用，2011（3）：46－49.

［7］ 张少云，付玉彬.海泥电池Fe3O4／PANI复合阳极制备及电化学性能［J］.应用化工，2011（5）：832－835.

［8］ 付玉彬，李建海，赵仲恺，等.海底生物燃料电池作为电源驱动小型电子器件的应用研究［J］.中国海洋大学学报，2012，42（6），93－98.

［9］ 付玉彬.海泥电池电源驱动海洋监测仪器应用取得重要突破［EB／OL］.（2014－12－19）［2016－10－25］.http：／／xinwen.ouc.edu.cn.

［10］ 吴立新.“透明海洋”计划：可持续发展的必经之路［J］.新华文摘，2015（6）.

［11］ 付玉彬，李建海.金属腐蚀阴极保护用海泥／海水生物燃料电池系统.中国，ZL201010177557.4［P］.2012－04－18.

［12］ 孟瑶，付玉彬，梁生康，等.石油污染物对海底微生物燃料电池性能的影响及加速降解效应［J］.环境科学，2015，36（8）：3080－3085.

［13］ 付哲平.海泥细菌电池电催化降解效应：一种海底石油污染生态原位修复绿色新技术［J］.海洋开发与管理，2016，33（3）：48－50.

［14］ 张业龙，付玉彬，卢志凯，等.海底微生物燃料电池电催化降解有机碳［J］.化学工程，2013（5）：10－13.

Principle and Characteristic of Technology and Its Application Prospect of Marine Sediment Microbial Fuel Cell

FU Zheping1，LI Zijian2

（1.Institute of Engineering，Ocean University of China Qingdao 266100，China；
2.Institute of Materials Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 26610，China）

A novel renewable marine energy technology：marine sediment microbial fuel cell was presented on its power production mechanism and technology features，and it can also be called sea mud bacteria cell for short in the paper.It harvests energy from marine sediments which is much different from conventional marine renewable water energy.The microbial cell utilizes marine sediment（sea mud）as fuel source and the bacteria metabolize organic substrate to produce electron.The cell has a great potential prospect to provide a sustainable electric power on ocean floor for driving marine monitor equipment to work for a long time to develop self－supply power technology.In the future，it can also be applied to many aspects of ocean development，such as“Transparent Sea”research.

Marine renewable energy，Marine sediment，Microbial fuel cell，Self－supply power source，Ocean floor equipment

TM911.45；P7

A

1005－9857（2017）03－0067－05

2016－11－30；

2017－01－08

国家海洋局海洋可再生能源专项资金项目的资助（GHME2011GD04）；山东省自然基金项目（ZR2015DM002）；国家海洋局可再生能源专项资金项目（GHME2011GD04）.

付哲平，研究方向为海洋能源技术，电子信箱：fuzheping0730＠sina.com