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微生物与纳米银的混合体大幅提高生物电池的效率

作者:Magigen

一个由美国加州大学洛杉矶分校领导的 研究团队发现微生物与纳米银的混合体可以大幅提高生物电池的效率,这在开发微生物燃料电池方面迈出了重要的一步。该技术利用 天然细菌从废水中的有机物中提取电子以产生电流。 该研究成果近日发表在 《科学》杂志上。

众所周知,Shewanella oneidensis细菌在燃料电池中培养时,利用细胞外电子冷阱electron sink、金属氧化物和自然界或燃料电池中培养时电极中的离子,为有机物质的分解代谢提供动力。

微生物燃料电池MFC可以将储存在有机物中的化学能直接转化为电能,在发电和废水处理方面具有重要意义。然而,目前的微生物燃料电池的功率密度受到各种因素的限制,通常表现出令人不满意的低功率密度,这在很大程度上受到缓慢的跨膜和细胞外电子转移过程的限制,这些因素主要跟微生物与阳极的连接有关。


Bocheng Cao等人发现,还原石墨烯氧化物-银纳米颗粒阳极可以解决其中一些问题,从而显著提高电流和功率密度。电子显微镜显示,银纳米颗粒嵌入或附着在细胞外膜上,可能有助于电子从内部电子载体转移到阳极。

“这个生命能量回收系统 利用在废水中发现的细菌, 连续出击,为我们提供了一个可持续性的环境,”共同通讯作者、美国加州大学洛杉矶分校 萨缪利工程学院教授兼系主任Yu Huang说,。

“细菌的自然种群可以通过分解有害化合物来帮助净化地下水。现在,我们的研究 还展示了利用这一过程开发可再生能源的实用方法。” 

研究小组把重点放在了细菌Shewanella,该菌 的能源生产能力已被广泛研究。

他们可以 在所有类型的环境中成长,包括土壤、废水和海水,不管氧气水平如何。 

Shewanella菌属 自然地将有机废物分解成更小的分子 ,电子 作为代谢过程的副产品。 当细菌在电极上以薄膜的形式生长,一些电子 可以被捕获,形成产生 电的微生物燃料电池。

然而,以前由 Shewanella oneidensis组成的微生物燃料电池没有 捕获 足够的来自细菌的电流,无法让该制造技术适用于工业用途。

很少有电子 能够快速移动,脱离细菌膜,进入电极,提供足够的电流和电力。

为了解决这一问题, 研究人员添加银的纳米颗粒到由一种石墨烯氧化物组成的电极。纳米颗粒 释放银离子,细菌利用代谢过程中产生的电子将其还原为银纳米颗粒,然后将其并入细胞。

一旦进入细菌内, 银粒子就会充当 微小的传输线,捕捉细菌产生的更多电子。

“添加银纳米颗粒进入细菌好 比为电子创建了一条专用快车道,这使我们能够以更快的速度、提取更多的电子。” 研究通讯作者、加利福尼亚大学化学与生物化学教授Xiangfeng Duan告诉Magigen。

该技术通过引入跨膜和外膜银纳米颗粒,大幅提高了Shewanella MFC的电荷提取效率。

随着电子传输效率大大提高,由此产生的注入了银的Shewanella薄膜将80%以上的代谢电子输出到外部电路,产生每平方厘米0.66毫瓦的功率, 比以前的 最好的微生物燃料电池多两倍,最大电流密度为每平方厘米3.85毫安,单电池转换频率为每秒8.6×105混合MFC具有优异的燃料利用效率,库仑效率为81%。

随着电流的增加和效率的提高,这项由美国海军研究办公室支持的研究表明,燃料电池由 Shewanella和银杂交的细菌 可能为实际设备中输出足够的功率铺平道路。

Bocheng Cao是加州大学洛杉矶分校的博士生,由Huang和Duan指导,是论文的第一作者。


参考文献

Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells



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文章分类: 科技最前线
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