CN113234623A - 一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用 - Google Patents

一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用。该电活性菌全细胞湿气发电装置包括：顶部电极、底部电极以及电活性菌全细胞生物膜，所述电活性菌全细胞生物膜一侧表面与所述顶部电极贴合连接，另一侧表面与所述底部电极贴合连接。该装置能够持续的利用空气湿气产生0～0.4伏的开路电压和0～0.3微安的负载电流(外接电阻为500千欧)，具有无污染、清洁、可持续、发电条件几乎不受限等特点，可应用于电器供电或大型发电设备，具有较高的经济、环境和社会效益，也具有实际应用的技术潜力。

Description

一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用
技术领域
本发明属于生物发电技术领域，具体涉及一种电活性菌全细胞湿气发电装置及其应用。
背景技术
新型能源技术的发展对于缓解化石能源短缺和环境污染的压力具有重要意义。但是太阳能、风能、生物能源等新能源的开发还不能满足全球的能源需求，需要近一步探索和开发新能源技术。大气不仅是地球水循环的重要组成部分，也是一种能量充沛的可再生清洁能源来源。有研究者通过采用吸湿材料成功组装湿气发电装置将大气中的气态水中蕴含的能量转化为电能。然而，相关技术中，大多数研究工作都是采用石墨烯、高分子聚合物等高价值材料制作湿气发电装置，导致技术成本高和制作过程复杂等问题，使其无法被大规模推广应用。此外，湿气发电存在的发电时间短(大部分是少于50秒的瞬时湿气发电)、效率低等其他技术层面的问题还未能得到解决，从而限制了湿气发电可应用性。
相关研究中，存在着利用生物纳米导线作为材料制备可持续发电的湿气发电装置，通过将生物纳米导线烘干制备出生物纳米导线膜，将其附着在金片电极表面制备得到湿气发电装置。依靠纳米导线的丰富亲水基团、良好导电性和多孔结构，该湿气发电装置可以进行持续湿气发电。虽然该装置在一定程度上可以持续发电，但也存在着十分显著的技术缺陷，如生物纳米导线的提取过程复杂且产量极低(1克生物纳米导线/20克菌)；所使用的金片电极价格昂贵且制作过程复杂；装置的组装过程繁琐且复杂；该电极装置中的金平板电极不能有效将电子从纳米导线薄膜中导出。这些缺陷严重限制了其实际应用。因此，开发一种可以利用更加易获取、环保、储量丰富的材料制成且制备方法简单的可持续湿气发电装置及相关技术对于新型环保能源的开发和利用具有极为重要的意义。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种利用电活性菌全细胞的湿气发电装置及其制备方法与应用。电活性菌是自然界中广泛存在且可再生的生物资源，它是指能将新陈代谢过程中产生的电子传递至胞外受体或者接受胞外电子的一类菌，例如硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens PCA)和希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)。电活性菌由于含有丰富的亲水官能团和良好的导电性，因此具有很强的吸水能力和电离能力。该电活性菌全细胞湿气发电装置能够实现长时间且稳定的电力输出，而且制备方法简单，成本低廉，具有极大的应用前景。
本发明的第一个方面，提供一种电活性菌全细胞生物膜，该电活性菌全细胞生物膜含有电活性菌全细胞菌体。
根据本发明的第一个方面，在本发明的一些实施方式中，所述电活性菌包括硫还原地杆菌和希瓦氏菌。
在本发明的一些优选实施方式中，所述电活性菌为硫还原地杆菌PCA和希瓦氏菌MR-1。
当然，本发明中的电活性菌包括但不仅限于本发明实施例中所涉及的硫还原地杆菌和希瓦氏菌，本领域技术人员可以根据实际需求，合理的选择任意本领域已知的电活性菌。
根据本发明的第一个方面，在本发明的一些实施方式中，所述电活性菌全细胞生物膜由电活性菌经干燥处理制得。即取电活性菌培养至对数期后，6000rpm离心得到电活性菌菌体。将电活性菌菌体均匀滴加在平面状的底部电极上，干燥，获得附在底部电极表面的电活性菌全细胞生物膜。
其中，电活性菌菌体采用去离子水重悬浮，电活性菌菌体的使用浓度约为1g湿菌体/10mL菌液。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行合理调整。
在本发明的一些实施方式中，所述干燥处理的温度为20～80℃。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的电活性菌，合理调整干燥处理的温度。
根据本发明的第一个方面，在本发明的一些实施方式中，所述电活性菌全细胞生物膜的厚度为5～200μm。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的需求，合理调整电活性菌全细胞生物膜的厚度，使其获得相应的发电效率。
根据本发明的第一个方面，在本发明的一些实施方式中，所述电活性菌全细胞生物膜的面积为0.01～100cm2。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的需求，合理调整电活性菌全细胞生物膜的面积，使其获得相应的发电效率。
本发明中的电活性菌全细胞生物膜由全细胞电活性菌制备得到。而电活性菌含有丰富的亲水官能团，具有很强的吸水能力和电离能力，而且其细胞内含有可以进行电子传递的电子穿梭体，从而使本发明中的电活性菌全细胞生物膜可以吸收空气中的水分并利用其进行发电过程中的电子传输。
本发明的第二个方面，提供一种湿气发电装置，该湿气发电装置包括：
本发明第一个方面所述的电活性菌全细胞生物膜、底部电极和顶部电极。
其中，所述电活性菌全细胞生物膜一侧表面与所述顶部电极贴合连接，另一侧表面与所述底部电极贴合连接。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，所述湿气发电装置的制备方法为：
在底部电极表面制备电活性菌全细胞生物膜，然后在电活性菌全细胞生物膜的另一面覆盖顶部电极，即得电活性全细胞湿气发电装置。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，所述顶部电极具有多孔结构。
发明人发现，多孔的顶部电极有利于促进气态水在生物膜表面的吸附-脱附和膜顶层电荷向顶部电极的传递能力，提高湿气发电的电流输出性能。
在本发明的一些优选实施方式中，所述网孔结构的目数为10～500目。
本发明中所述的目数是以中国规格作为标准，即10目的孔径为2.00mm。
本发明中的术语“目数”是指1平方英寸(25.4mm×25.4mm)面积上所具有的网孔个数。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行合理调整目数。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，所述顶部电极的材料包括铁、不锈钢、铜、铝、金和银。
当然，所述顶部电极的材料包括但不限于上述金属，本领域技术人员可以根据实际使用情况，合理选择其他导电材料。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，所述底部电极的材料包括导电玻璃、碳基材料、铁、铜、铝、金和银。
当然，所述顶部电极的材料包括但不限于上述材料，本领域技术人员可以根据实际使用情况，合理选择其他导电材料。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，所述顶部电极与底部电极的面积比为(1～100)：100。
当然，本领域技术人员可以根据实际使用的需求，合理调整顶部电极与底部电极的面积比，使其获得相应的发电效率。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，所述湿气发电装置适用的空气相对湿度为5～95％。
根据本发明的第二个方面，在本发明的一些实施方式中，将所述湿气发电装置暴露于空气中，接入电路，即可发电。当然，需要说明的是，本发明中湿气发电装置需要在一定湿度下进行持续的吸湿才能产生持续的发电。
本发明中的湿气发电装置克服了现有发电装置的缺陷，可以将气相水到液相水的相变能量转化成电能进行收集，具有无污染、可持续、环境友好等优点。而且相比于现有技术中最新的生物纳米导线湿气发电装置，本发明主要利用活菌细胞膜的亲水官能团在水中实现带电离子分离，并通过多孔状的顶部电极促进膜-空气界面的水分子交换，产生湿气梯度，促进电子导出，从而提高整体的湿气发电性能，成本更低，制备方法更加简单快捷。
本发明的第三个方面，提供本发明第一个方面所述的电活性菌全细胞生物膜、本发明第二个方面所述的湿气发电装置在发电设备中的应用。
本发明中的湿气发电装置具有持续的电压和电流输出，并且能长时间保持稳定状态，单个1cm2装置暴露在空气中后可以持续产生0～0.4伏的开路电压和0～0.5微安的负载电流(外接电阻为500千欧)，可以通过串联、并联等方式进行性能测试，并且可以利用该发电装置为商业电容充电。而电活性菌全细胞生物膜作为湿气发电装置的核心部件，自然也具有同样的效能。
本发明的第四个方面，提供本发明第一个方面所述的电活性菌全细胞生物膜、本发明第二个方面所述的湿气发电装置在电器设备中的应用。
本发明中的湿气发电装置具有持续的电压和电流输出，并且能长时间保持稳定状态，单个1cm2装置暴露在空气中后可以持续产生0～0.4伏的开路电压和0～0.5微安的负载电流(外接电阻为500千欧)，可以作为供电部件通过串联、并联等方式为LED灯泡、电子显示屏等电器进行供电，当然，电活性菌全细胞生物膜作为湿气发电装置的核心部件，自然也具有同样的效能。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供了一种电活性菌全细胞生物膜，其制备方法简单、快捷，可作为一种湿气发电装置核心部件构建一套湿气发电装置，相比于现有的湿气发电装置核心部件(生物纳米导线)，本发明中的电活性菌全细胞生物膜制备成本更低，发电效果更高。
2.本发明提供一种稳定、制备简单、绿色环保、持续发电的湿气发电装置，该湿气发电装置能够持续的利用空气湿气进行发电，具有无污染、清洁、可持续、发电条件几乎不受限等特点，暴露在空气中后可以持续产生0～0.4伏的开路电压和0～0.5微安的负载电流(外接电阻为500千欧)，可应用于电器供电或日常发电设备，具有高经济、环境和社会效益，也具有实际应用的技术潜力。
附图说明
图1是本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置的硫还原地杆菌PCA全细胞微生物膜截面的扫描电子显微镜图；
图3是本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置在5％、70％和95％相对湿度下的开路电压；
图4是本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置在70％相对湿度下连接到500千欧电阻的负载电流；
图5是本发明实施例中由希瓦氏菌MR-1制备的电活性菌全细胞湿气发电装置在70％相对湿度下的开路电压和短路电流；
图6是本发明实施例中由80℃下制备的硫还原地杆菌生物膜制备的电活性菌全细胞湿气发电装置的开路电压和连接到500千欧电阻的负载电流；
图7是本发明实施例中的不同面积全细胞微生物膜制备的电活性菌全细胞湿气发电装置的开路电压和连接到500千欧电阻的负载电流；
图8是本发明实施例中的不同厚度全细胞微生物膜制备的电活性菌全细胞湿气发电装置的开路电压和连接到500千欧电阻的负载电流；
图9是本发明对比例1中的纳米导线制备的湿气发电装置的开路电压和连接到500千欧电阻的负载电流；
图10是本发明由3×10毫米的导电玻璃片作为顶部电极制备的湿气发电装置的开路电压和连接到500千欧电阻的负载电流。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
所使用的实验材料和试剂，若无特别说明，均为常规可从商业途径所获得的耗材和试剂。
实验材料
下述实施例中涉及的电活性菌如表1所示。
表1本发明实施例中使用的电活性菌
菌株名称 菌株编号 菌株来源
硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens PCA) ASM798v2 美国ATCC
希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1) ASM1326721v1 美国ATCC
电活性菌全细胞湿气发电装置构建方法
发明人发现，全细胞微生物(完整的微生物细胞)膜中的亲水官能团在吸收了湿气之后会发生电离，电离后的可移动带电离子会随着全细胞微生物膜的表面受到湿度差的影响而产生定向移动，从而形成电场，此时，将其连接上外部电路就能够持续输出电能，即这种持续输出电能主要是由全细胞微生物膜表面的持续的湿气交换作用产生。
基于该发现，发明人构建出一套电活性菌全细胞湿气发电装置，该电活性菌全细胞湿气发电装置的制备过程及结构示意图如图1所示。
如图1所示，本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置包括多孔顶部电极、底部电极和全细胞微生物膜。其中，该电活性菌全细胞湿气发电装置由上至下依次为多孔顶部电极、全细胞微生物膜以及底部电极。全细胞微生物膜置于底部电极上方，多孔顶部电极盖在全细胞微生物膜的上方，从而形成一个三明治结构的装置。
当将本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置放置于空气时，空气中的水分(湿气)穿过多孔电极接触到微生物膜后，水分子会进入到干燥的全细胞微生物膜中，诱发全细胞微生物膜的亲水官能团的电荷分离，释放出可自由移动的带电离子，带电离子从全细胞微生物膜与多孔顶部电极的接触面(水分子高浓度区域)向全细胞微生物膜与底部电极的接触面(水分子低浓度区域)扩散，形成一个稳定电场。将多孔顶部电极和底部电极连接到外部电路后，这个电场在空气湿气的作用下可以持续的输出电能。
而且，发明人还发现，选择与底部电极面积接近的多孔顶部电极来构建电活性菌全细胞湿气发电装置，可以更有利于收集全细胞生物膜顶部的电子，从而增加发电的电流密度。
实施例1
一种电活性菌全细胞湿气发电装置，包括多孔顶部电极、底部电极以及硫还原地杆菌PCA。
具体制备方法包括如下步骤：
(1)制备全细胞微生物膜：
取培养好的硫还原地杆菌PCA菌液，6000rpm离心获得硫还原地杆菌PCA菌体，随后用超纯水快速重悬浮，重复多次，获得硫还原地杆菌PCA菌液(1g湿菌体/10mL菌液)。将100毫升菌液滴加到模具内，20℃条件下干燥，得到厚度为20微米的硫还原地杆菌PCA全细胞微生物膜。
其中，本实施例中的模具为：使用导电玻璃构建的中空模具(中空部分的面积为10×10毫米)。
(2)将步骤(1)得到的全细胞微生物膜置于导电玻璃材质的底部电极上，然后在全细胞微生物膜上放置与底部电极等面积的铜网多孔顶部电极(孔径为200目)，即得电活性菌全细胞湿气发电装置。
实施例2
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例使用希瓦氏菌MR-1替代硫还原地杆菌PCA制备全细胞微生物膜。
实施例3
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中的硫还原地杆菌PCA全细胞微生物膜的干燥温度提升为80℃。
实施例4
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中的硫还原地杆菌PCA全细胞微生物膜的面积分别为0.01cm2和100cm2(即模具的中空部分的面积分别为1×1毫米和100×100毫米)。
实施例5
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中的硫还原地杆菌PCA菌体的滴加量仅为实施例1中的滴加量的1/4和10倍，使干燥后获得的全细胞微生物膜厚度变为实施例1中的全细胞微生物膜厚度的1/4和10倍(分别为5微米和200微米)。
实施例6
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用等面积(1×1cm2)的10目和500目的铜网替代200目铜网顶部电极。
实施例7
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用等面积的不锈钢材质的底部电极替代导电玻璃材质底部电极。
实施例8
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用等面积的200目的银网顶部电极替代200目铜网顶部电极。
实施例9
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用底部电极面积1/100的铜网替代实施例1中与底部电极面积相等的铜网作为顶部电极。
对比例1
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用纳米导线替代全细胞微生物膜。
其中，纳米导线的制备方法为：
离心获得硫还原地杆菌PCA活菌后，加入乙醇胺缓冲液(pH＝10.5)进行重悬浮，然后倒入搅拌机中高速(400rpm)搅拌3分钟，离心获得悬浮的纳米导线溶液。在纳米导线溶液中加入10％(v/v)的硫酸铵溶液使纳米导线沉淀，13000g下离心，去除上清液，即得纳米导线。然后使用乙醇胺缓冲液和硫酸铵溶液重复处理(两次或以上)，以去除杂质。获得的纳米导线可保存在超纯水中。
根据多次实验，发现20mg硫还原地杆菌活菌可产生约1mg的纳米导线。
对比例2
在本发明实施例中，按照实施例1相同的方法制备全细胞湿气发电装置。本实施例与实施例1的区别在于：
在本实施例中，使用3×10毫米的导电玻璃片作为顶部电极替代多孔顶部电极。
电活性菌全细胞湿气发电装置的效果对比验证
(1)实施例1中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
通过扫描电镜对实施例1中的方法中制备得到的全细胞微生物膜进行观察(图2)，发现其全细胞微生物膜厚度为20微米，膜表面平整。通过对构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置进行截面观察，发现全细胞微生物膜与底部电极的接触紧密，放大后可以看到全细胞微生物膜是由密集的细胞组成。
将实施例1构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例1构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的开路电压基本维持在0.36伏(图3)。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例1构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.55微安的负载电流(图4)。
随后，发明人调整相对环境湿度，将实施例1构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置放置于相对湿度为5％的环境中，发现其可以产生0.1伏的开路电压。将装置放置于相对湿度为95％的环境中，发现其可以产生0.40伏的开路电压(图3)。从而可以说明该装置在5～95％的空气湿度条件下都具有湿气发电性能，特别是在70％以上的湿度下的湿气发电性能更好，具有较广的应用范围。
(2)实施例2中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例2构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例2构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压基本维持在0.32伏(图5)。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例2构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.22微安的负载电流。从而可以说明，不同种类的电活性菌制备得到的全细胞微生物膜均可以使本发明实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置产生良好的发电性能。
(3)实施例3中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例3构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例3构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压基本维持在0.34伏(图6)。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例3构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.47微安的负载电流。从而可以说明，在可接受的微生物干燥温度内(10～80℃)，本实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置产生都具有良好的发电性能。
(4)实施例4中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例4构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例4构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置在不同面积(0.01cm2和100cm2)下产生的电压基本维持在0.36伏(图7)。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例4构建得到的1平方毫米电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.23微安的负载电流；100cm2的发电装置可以持续输出51微安的负载电流，这个电压基本满足了一些小型电子设备的供电需求，具有极强的技术应用价值。
(5)实施例5中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例5构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例5使用5微米和200微米厚度的生物膜构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压分别达到0.25伏和0.37伏(图8)。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例5构建得到的5微米和200微米厚度的电活性菌全细胞湿气发电装置分别可以持续输出0.18微安和0.51微安的负载电流。从而可以说明，本实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置可以使用5～200微米以内任何厚度的全细胞微生物膜，且均具有良好的发电性能(图8)。
(6)实施例6中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例6构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例6用10目和500目铜网顶部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压分别达到0.31伏和0.42伏。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例6用10目和500目铜网顶部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置分别可以持续输出0.30微安和0.52微安的负载电流。从而可以说明，使用具有更密集的多孔结构的多孔顶部电极更有利于全细胞微生物膜的电子传输，产生更高的发电效能，从而可以提高本实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置的湿气发电效率。
(7)实施例7中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例7构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例7用不锈钢材质底部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压可达到0.35伏。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例7用不锈钢底部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.47微安的负载电流。从而可以说明，本实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置可以使用不同材质的导电底部电极，且均具有良好的发电性能。
(8)实施例8中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例8构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例8用200目银网顶部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压可达到0.38伏。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例8用200目银网顶部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.53微安的负载电流。从而可以说明，本实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置可以使用不同材质的多孔顶部电极，且均具有良好的发电性能。
(9)实施例9中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将实施例9构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的多孔顶部电极和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。发现全细胞微生物膜在相对湿度为70％的空气中吸收水分后，膜表面的亲水官能团在发生电离形成可移动的带电离子，带电离子随着膜两侧的湿度而发生定向移动而形成一个电势差，使电活性菌全细胞湿气发电装置可以产生一个稳定的开路电压。经测定，实施例9用底部面积1/100的顶部电极构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压可达到0.34伏。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现实施例9构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.12微安的负载电流。从而可以说明，本实施例中的电活性菌全细胞湿气发电装置可以使用顶部电极与底部电极的面积比，且均具有良好的发电性能。
(10)对比例1中的湿气发电装置发电效果：
将对比例1构建得到的湿气发电装置连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。结果如图9所示，发现对比例1构建得到的湿气发电装置在相对湿度为70％的环境中可以产生0.37伏的开路电压和0.38微安的负载电流(外接电阻为500千欧)。通过与实施例1对比，可以发现，纳米导线的制备过程复杂，且产率极低，在平均工时比较中，制备实施例1中的电活性菌全细胞湿气发电装置相对对比例1中的湿气发电装置用时更短，制备时间缩减了约9倍，制备过程更加简便。而且，相较与基于纳米导线制备的湿气发电装置，实施例1中的电活性菌全细胞湿气发电装置在使用等量的电活性菌菌液的情况下，实施例1中的电活性菌全细胞湿气发电装置具有更高的发电性能(功率密度提高约40％)，其原因在于，本发明实施例1中的电活性菌全细胞湿气发电装置可以将整个电活性菌都纳入吸湿发电材料中，提高了菌体的利用效率。而且，采用电活性菌全细胞也免去了繁琐的纳米导线制备过程和制备成本，更有利于湿气发电的实际应用。
(11)对比例2中的电活性菌全细胞湿气发电装置发电效果：
将对比例2构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置的无孔导电玻璃和底部电极连接到电化学工作站，形成闭环回路，实时监测其产生的电信号。经测定，对比例2构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置产生的电压基本维持在0.3伏。在连接一个500千欧的外部电阻后，发现对比例2构建得到的电活性菌全细胞湿气发电装置可以持续输出0.3微安的负载电流(图10)。从而可以说明，电活性菌全细胞湿气发电装置中的顶部电极的多孔结构对于提高电活性菌全细胞湿气发电装置的湿气发电效率是必要的，多孔的结构有利于全细胞微生物膜的电子传输，从而获得更高的发电效能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电活性菌全细胞生物膜，其特征在于，所述电活性菌全细胞生物膜含有电活性菌全细胞菌体；
其中，所述电活性菌优选包括硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens PCA)和希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)；
所述电活性菌全细胞生物膜优选由电活性菌经干燥处理制得。
2.根据权利要求1所述的电活性菌全细胞生物膜，其特征在于，所述电活性菌全细胞生物膜的厚度为5～200μm。
3.一种湿气发电装置，其特征在于，所述湿气发电装置包括：
顶部电极、底部电极和权利要求1或2所述的电活性菌全细胞生物膜，
其中，所述活性菌全细胞生物膜一侧表面与所述顶部电极贴合连接，另一侧表面与所述底部电极贴合连接。
4.根据权利要求3所述的湿气发电装置，其特征在于，所述顶部电极具有网孔结构，所述网孔结构的目数为10～500目，所述底部电极为无孔的平面电极。
5.根据权利要求3所述的湿气发电装置，其特征在于，所述顶部电极的材料包括铁、不锈钢、铜、铝、金和银。
6.根据权利要求3所述的湿气发电装置，其特征在于，所述底部电极的材料包括导电玻璃、碳基材料、铁、铜、铝、金和银。
7.根据权利要求3～6任一项所述的湿气发电装置，其特征在于，所述顶部电极与底部电极的面积比为(1～100)：100。
8.根据权利要求3～7任一项所述的湿气发电装置，其特征在于，所述湿气发电装置适用的空气相对湿度为5～95％。
9.权利要求1或2所述的电活性菌全细胞生物膜、权利要求3～8任一项所述的湿气发电装置在发电设备中的应用。
10.权利要求1或2所述的电活性菌全细胞生物膜、权利要求3～8任一项所述的湿气发电装置在电器设备中的应用。
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