由加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的工程師和化學(xué)家團(tuán)隊(duì)在微生物燃料電池的開發(fā)方面向前邁進(jìn)了一大步——這種技術(shù)利用天然細(xì)菌從廢水中的有機(jī)物質(zhì)中提取電子以產(chǎn)生電流。一項(xiàng)詳細(xì)介紹這一突破的研究最近發(fā)表在《?科學(xué)》雜志上。
“利用廢水中發(fā)現(xiàn)的細(xì)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(xué)洛杉磯分校 Samueli 工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授兼系主任 Yu Huang 說。“細(xì)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?，F(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(shí)用方法。”
該團(tuán)隊(duì)專注于細(xì)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(zhǎng)和茁壯成長(zhǎng)——包括土壤、廢水和海水。
Shewanella物種自然地將有機(jī)廢物分解成更小的分子，電子是代謝過程的副產(chǎn)品。當(dāng)細(xì)菌在電極上生長(zhǎng)成薄膜時(shí)，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(dòng)力的微生物燃料電池?以前沒有從細(xì)菌中捕獲足夠的電流，無法使該技術(shù)在工業(yè)上實(shí)用。很少有電子能夠以足夠快的速度逃離細(xì)菌膜并進(jìn)入電極以提供足夠的電流和功率。
為了解決這個(gè)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(xì)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(xì)胞中。一旦進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，銀粒子就會(huì)充當(dāng)微觀傳輸線，捕獲細(xì)菌產(chǎn)生的更多電子。
該研究的另一位通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)和生物化學(xué)教授段向峰說：“將銀納米粒子添加到細(xì)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(xiàng)由海軍研究辦公室支持的研究表明，由銀-希瓦氏菌?混合細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的燃料電池可能為在實(shí)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(dǎo)的加州大學(xué)洛杉磯分校博士生曹博成。加州大學(xué)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(xué)校長(zhǎng)，化學(xué)與生物化學(xué)、生物工程、材料科學(xué)與工程杰出教授;化學(xué)和生物化學(xué)助理教授Chong Liu。南加州大學(xué)地球科學(xué)名譽(yù)教授肯尼思·尼爾森 (Kenneth Nealson) 也是資深作者。
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