17 сентября 2021 года Обзор Меган Крейг

Группа инженеров и химиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе достигла значительного прогресса в разработке микробных топливных элементов. Это технология, в которой природные бактерии извлекают электроны из органических веществ в сточных водах и создают электрические токи.

Исследование было опубликовано в журнале Science .

Живые системы рекуперации энергии, использующие бактерии, обнаруженные в сточных водах, предлагают один-два удара для усилий по обеспечению экологической устойчивости. Естественные популяции бактерий могут способствовать обеззараживанию грунтовых вод, расщепляя вредные химические соединения. Теперь наше исследование также показывает практический способ использования возобновляемых источников энергии из этого процесса .

Юй Хуан, соавтор исследования, профессор и заведующий кафедрой материаловедения и инженерии инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе

Исследователи нацелены на бактерии рода Shewanella, которые широко исследуются на предмет их способности генерировать энергию. Они способны расти и развиваться во всех типах окружающей среды, таких как почва, сточные воды и морская вода, независимо от уровня кислорода.

Виды Shewanella способны естественным образом расщеплять органические отходы на более мелкие молекулы. Электроны получаются как побочный продукт этого метаболического процесса. Некоторые из этих электронов могут быть захвачены, когда бактерии растут на электродах в виде пленок. В результате образуется микробный топливный элемент, вырабатывающий электричество.

Микробные топливные элементы, работающие на Shewanella oneidensis ранее не улавливали токи от бактерий, достаточные для того, чтобы сделать технологию жизнеспособной для промышленного использования. Некоторые электроны способны двигаться достаточно быстро, чтобы покинуть мембрану бактерий и войти в электроды, чтобы обеспечить достаточный электрический ток и мощность.

Чтобы решить эту проблему, исследователи ввели наночастицы серебра в электроды, которые образованы из своего рода оксида графена. Ионы серебра, высвобождаемые наночастицами, восстанавливаются до наночастиц серебра с использованием электронов, образующихся в процессе их метаболизма. Затем они помещаются в свои камеры.

Попав в бактерии, частицы серебра действуют как микроскопические передающие провода, способные улавливать больше электронов, генерируемых бактериями.

Добавление наночастиц серебра к бактериям похоже на создание выделенной экспресс-полосы для электронов, которая позволила нам извлекать больше электронов и на более высоких скоростях .

Сянфэн Дуань, автор исследования, профессор химии и биохимии инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе

Благодаря значительно увеличенной транспортной эффективности полученная пленка Shewanella с добавлением серебра выводит более 80% метаболических электронов во внешнюю цепь. Таким образом, он производит мощность 0,66 милливатт на квадратный сантиметр, что более чем вдвое превышает предыдущий лучший показатель для топливных элементов на основе микробов.

В исследовании, поддержанном Управлением военно-морских исследований, использовались увеличенный ток и повышенная эффективность, чтобы представить, что топливные элементы, работающие на гибридных бактериях серебра и шеванеллы, могут открыть двери для выработки достаточного количества энергии в практических условиях.

Бочэн Цао, докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Хуана и Дуаня, является первым автором статьи. Другие ведущие авторы UCLA – Джерард Вонг, профессор биоинженерии; Пол Вайс, президент Калифорнийского университета и выдающийся профессор химии и биохимии, биоинженерии, материаловедения и инженерии; и Чонг Лю, доцент кафедры химии и биохимии. Кеннет Нилсон, почетный профессор наук о Земле в Университете Южной Калифорнии, также является старшим автором.

Дуан, Хуанг и Вайсс – все члены Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.

Ссылка на журнал:

Cao, B., et al. (2021) Наночастицы серебра повышают эффективность извлечения заряда в микробных топливных элементах Shewanella. Наука . doi.org/10.1126/science.abf3427.

Источник: https://samueli.ucla.edu/[19459007visible