Forskere tilfører bakterier med sølv for at forbedre energieffektiviteten i brændselsceller

AUCLA-ledede team af ingeniører og kemikere har taget et stort skridt fremad i udviklingen af ​​mikrobrændselsceller - en teknologi, der bruger naturlige bakterier til at udvinde elektroner fra organisk materiale i spildevand for at generere elektriske strømme. En undersøgelse, der beskriver gennembruddet, blev for nylig offentliggjort i Videnskab .

"Levende energigenvindingssystemer, der udnytter bakterier fundet i spildevand, tilbyder en en-to-punch for miljømæssig bæredygtighedsindsats, " sagde co-korresponderende forfatter Yu Huang, en professor og formand for Materials Science and Engineering Department ved UCLASamueli School of Engineering. "De naturlige populationer af bakterier kan hjælpe med at dekontaminere grundvandet ved at nedbryde skadelige kemiske forbindelser. Nu, vores forskning viser også en praktisk måde at udnytte vedvarende energi fra denne proces."

Holdet fokuserede på bacteriagenus Shewanella , som er blevet bredt undersøgt for deres energiproduktionsevner. De kan vokse og trives i alle typer miljøer - inklusive jord, spildevand og havvand – uanset iltniveauet.

Shewanella arter nedbryder naturligt organisk affald til mindre molekyler, med elektroner, der er et biprodukt af den metaboliske proces. Når bakterierne vokser som film på elektroder, noget af elektronerne kan fanges, danner en mikrobiel brændselscelle, der producerer elektricitet.

Imidlertid, mikrobielle brændselsceller drevet af Shewanella oneidensis har tidligere ikke fanget tilstrækkeligt med strømme fra bakterierne, hvilket gør teknologien praktisk til industriel brug. Få elektroner kunne bevæge sig hurtigt nok til at undslippe bakteriens membraner og komme ind i elektroderne for at give tilstrækkelig elektrisk strøm og strøm.

For at løse dette problem, der føjede forskerne nanopartikler af sølv til elektroder, der er sammensat af en type grafenoxid. Nanopartiklerne frigiver sølvioner, som bakterier reducerer til sølv nanopartikler ved hjælp af elektroner genereret fra deres metaboliske proces og derefter inkorporerer i deres celler. En gang inde i bakterierne, sølvpartiklerne virker asmikroskopiske transmissionstråde, opfanger flere elektroner produceret af bakterierne.

"At tilføje sølvnanopartiklerne i bakterierne er som at skabe en dedikeret ekspresbaneforelektroner, som gjorde det muligt for os at udvinde flere elektroner og med hurtigere hastigheder, " sagde XiangfengDuan, undersøgelsens anden tilsvarende forfatter og en professor i kemi og biokemi ved UCLA.

Med stærkt forbedret elektrontransporteffektivitet, den resulterende sølv-infunderet Shewanella film udsender mere end 80 % af de metaboliske elektroner til det eksterne kredsløb, genererer en effekt på 0,66 milliwatt pr. kvadratcentimeter - mere end det dobbelte af den tidligere bedste for mikrobielle-baserede brændselsceller.

Med den øgede nuværende og forbedrede effektivitet, Studiet, som blev støttet af Office of Naval Research, viste, at brændselsceller drevet af sølv- Shewanella hybridbakterier kan bane vejen for tilstrækkelig effekt i praktiske omgivelser.

BochengCao, en UCLA ph.d.-studerende rådgivet af både Huang og Duan, er avisens første forfatter. Andre UCLA senior forfattere er Gerard Wong, en professor i bioteknik; Paul Weiss, en UC-præsidentformand og en fremtrædende professor i kemi og biokemi, bioingeniør, og materialevidenskab og teknik; og Chong Liu, en adjunkt i kemi og biokemi. KennethNealson, en professor emeritus i geovidenskab ved USC, er også seniorforfatter.

Duan, Huang og Weiss er alle medlemmer af California NanoSystems Institute ved UCLA.