研究人員將銀注入細菌以提高燃料電池的功率效率

由加州大學洛杉磯分校領導的工程師和化學家團隊在微生物燃料電池的開發(fā)方面向前邁進了一大步——這種技術(shù)利用天然細菌從廢水中的有機物質(zhì)中提取電子以產(chǎn)生電流。一項詳細介紹這一突破的研究最近發(fā)表在《?科學》雜志上。

“利用廢水中發(fā)現(xiàn)的細菌的活體能量回收系統(tǒng)為環(huán)境可持續(xù)性工作提供了一兩次打擊，”共同通訊作者、加州大學洛杉磯分校 Samueli 工程學院材料科學與工程系教授兼系主任 Yu Huang 說。“細菌的自然種群可以通過分解有害化合物來幫助凈化地下水。現(xiàn)在，我們的研究還展示了一種從這一過程中利用可再生能源的實用方法。”

該團隊專注于細菌屬?Shewanella，其能量產(chǎn)生能力已被廣泛研究。無論氧氣含量如何，它們都可以在所有類型的環(huán)境中生長和茁壯成長——包括土壤、廢水和海水。

Shewanella物種自然地將有機廢物分解成更小的分子，電子是代謝過程的副產(chǎn)品。當細菌在電極上生長成薄膜時，可以捕獲一些電子，形成微生物燃料電池來發(fā)電。

然而，由Shewanella oneidensis提供動力的微生物燃料電池?以前沒有從細菌中捕獲足夠的電流，無法使該技術(shù)在工業(yè)上實用。很少有電子能夠以足夠快的速度逃離細菌膜并進入電極以提供足夠的電流和功率。

為了解決這個問題，研究人員將銀納米顆粒添加到由一種氧化石墨烯組成的電極中。納米顆粒釋放銀離子，細菌利用代謝過程中產(chǎn)生的電子將銀離子還原為銀納米顆粒，然后結(jié)合到細胞中。一旦進入細菌內(nèi)部，銀粒子就會充當微觀傳輸線，捕獲細菌產(chǎn)生的更多電子。

該研究的另一位通訊作者、加州大學洛杉磯分?；瘜W和生物化學教授段向峰說：“將銀納米粒子添加到細菌中就像為電子創(chuàng)造了一條專用的快速通道，這使我們能夠以更快的速度提取更多的電子。”

隨著電子傳輸效率的大幅提高，由此產(chǎn)生的注入銀的希瓦內(nèi)拉薄膜將超過 80% 的代謝電子輸出到外部電路，產(chǎn)生每平方厘米 0.66 毫瓦的功率——是之前基于微生物的燃料電池的最佳功率的兩倍多。

隨著電流的增加和效率的提高，這項由海軍研究辦公室支持的研究表明，由銀-希瓦氏菌?混合細菌驅(qū)動的燃料電池可能為在實際環(huán)境中獲得足夠的功率輸出鋪平道路。

該論文的第一作者是黃和段指導的加州大學洛杉磯分校博士生曹博成。加州大學洛杉磯分校的其他資深作者是生物工程教授 Gerard Wong;Paul Weiss，加州大學校長，化學與生物化學、生物工程、材料科學與工程杰出教授;化學和生物化學助理教授Chong Liu。南加州大學地球科學名譽教授肯尼思·尼爾森 (Kenneth Nealson) 也是資深作者。

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