Исследователи делают важный шаг в разработке микробных топливных элементов

Команда инженеров и химиков под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделала важный шаг вперед в разработке микробных топливных элементов – технологии, которая использует естественные бактерии для извлечения электронов из органических веществ в сточных водах для генерации электрических токов. Исследование, подробно описывающее этот прорыв, было недавно опубликовано в журнале Science.

Бактерии

«Живые системы рекуперации энергии, использующие обнаруженные в сточных водах бактерии, предлагают не так много усилий для обеспечению экологичности окружающей среды, – говорит Ю Хуанг, профессор и заведующий кафедрой материаловедения и инженерии Калифорнийского университета. – Естественные популяции бактерий могут помочь обеззараживать грунтовые воды, расщепляя вредные химические соединения. Теперь наши исследования также показывают практический способ использования возобновляемых источников энергии из этого процесса».

Команда сосредоточилась на бактериях рода Shewanella, которые были широко изучены на предмет их способности генерировать энергию. Они могут расти и процветать во всех типах окружающей среды, включая почву, сточные воды и морскую воду, независимо от уровня кислорода.

Виды Shewanella естественным образом расщепляют органические отходы на более мелкие молекулы, при этом электроны являются побочным продуктом метаболического процесса. Когда бактерии растут в виде пленок на электродах, некоторые электроны могут быть захвачены, образуя микробный топливный элемент, производящий электричество.

Однако микробные топливные элементы, работающие на Shewanella oneidensis, ранее не улавливали достаточно тока от бактерий, чтобы сделать эту технологию практичной для промышленного использования. Немногие электроны могли двигаться достаточно быстро, чтобы покинуть мембраны бактерий и попасть в электроды, чтобы обеспечить достаточный электрический ток и мощность.

Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили в электроды наночастицы серебра, состоящие из оксида графена. Наночастицы высвобождают ионы серебра, которые бактерии превращают в наночастицы серебра, используя электроны, генерируемые в процессе их метаболизма, а затем внедряются в их клетки. Попадая внутрь бактерий, частицы серебра действуют как проводники для передачи микроскопов, улавливая больше электронов, производимых бактериями.

«Добавление наночастиц серебра к бактериям похоже на создание специальной экспресс-полосы для электронов, которая позволяет нам извлекать больше электронов и на более высоких скоростях», – говорит Сянфэн Дуань, автор исследования и профессор химии и биохимии Калифорнийского университета.

Благодаря значительно улучшенной эффективности переноса электронов полученная пленка Shewanella с добавлением серебра выводит более 80% метаболических электронов во внешнюю цепь, генерируя мощность 0,66 милливатт на квадратный сантиметр – более чем вдвое больше, чем у микробных топливных элементов в предыдущих случаях.

Благодаря увеличению тока и повышению эффективности исследование, которое было поддержано Управлением военно-морских исследований, показало, что топливные элементы, работающие на гибридных бактериях из серебра и Shewanella, могут открыть путь к достаточной выходной мощности в практических условиях.

Боченг Цао, докторант Калифорнийского университета, которого консультировали Хуанг и Дуань, является первым автором статьи. Другие ведущие авторы: Джерард Вонг, профессор биоинженерии; Пол Вайс, президент Калифорнийского университета и заслуженный профессор химии и биохимии, биоинженерии, материаловедения и инженерии; и Чонг Лю, доцент кафедры химии и биохимии; Кеннет Нилсон, почетный профессор наук о Земле в США, также является старшим автором.