Серебро и восстановленный оксид графена помогли создать рекордно мощный микробный топливный элемент

Американские
ученые покрыли
анод микробного
топливного элемента композитом
из серебра и
восстановленного
оксида графена
и добились
рекордной мощности.
В процессе
работы элемента такое покрытие выделяет
наночастицы серебра, которые проникают
в оболочку бактерий
и облегчают транспорт электронов
к аноду.
Результаты
исследования опубликованы
в журнале Science.

Микробный
топливный элемент — это
устройство, которое преобразует энергию
химических связей в электроэнергию с
помощью микроорганизмов. На
анод такого
элемента
наносят
пленку
бактерий, которые
окисляют компоненты
электролита
и передают полученные электроны на
электрод.
Топливом для бактерий могут служить
самые разные органические вещества, в
том числе
смеси.
Поэтому
в перспективе с
помощью микробных топливных элементов
можно будет решать две задачи одновременно:
получать
электроэнергию и перерабатывать
вредные
отходы — например, компоненты
сточных вод.

Однако,
пока что мощность микробных топливных
элементов не
превышает 0,3 милливатта на квадратный
сантиметр, и для
коммерческого использования недостаточна.
Потери
происходят на всех этапах, но больше
всего энергии
теряется во
время передачи электронов от бактерии
к аноду

Сделать
микробные топливные элементы эффективнее
сумели
американские
ученые под руководством Юя
Хуана (Yu
Huang) из
Калифорнийского Университета. Авторы
работали с тонкопленочным
топливным элементом, на
анод которого наносли
пленку грамотрицательных
бактериий
Shewanella.
Эти
бактерии широко
распространены и в почве, грунтовой и
морской воде и могут выживать как в
аэробных, так и в анаэробных условиях
и
считаются идеальными кандидатами для
использования в микробных топливных
элементах.

Хуан
и его коллеги начали с того, что изготовили
углеродные
аноды трех типов: без дополнительного
покрытия,
с покрытием на основе восстановленного
оксида графена (rGO)
и с покрытием из композита восстановленного
оксида графена с серебром (rGO/Ag).
Восстановленный
оксид графена ученые добавили
для того,
чтобы снизить сопротивление,
а серебро — чтобы
облегчить передачу электронов от
бактерий к аноду.

Затем
электроды
помещали в слабощелочной раствор,
содержащий бактерии и питательные
вещества для них. Хуан
и его коллеги опасались, что антимикробное
действие серебра может
помешать размножению бактерий и
пленка
на аноде окажется недостаточно плотной.
Однако,
оказалось,
в
виде композита с восстановленным оксидом
графена серебро
для бактерий Shewanella
неопасно.
Выживаемость
бактерий на rGO/Ag
электроде
оказалась равна 93 процентам, что вполне
сравнимо с выживаемостью на rGO электроде
(92
процента) и
на электроде без покрытия (95
процентов).
Более того, сканирующая электронная
микроскопия показала, что на
rGO/Ag
электроде
бактерии
образуют более плотную пленку.

Плотность
тока в тестовой полуячейке
с rGO/Ag
была
в
семь раз выше, чем в полуячейке с
rGO-электродом
в
пятнадцать раз выше, чем в полуячейке
с электродом без покрытия.
Чтобы
разобраться
в причинах такого впечатляющего
улучшения,
авторы использовали просвечивающую
растровую
электронную
микроскопию,
а
также просканировали всю поверхность
электрода методом энергодисперсионной
рентгеновской спектроскопии.
Оказалось,
что
часть
серебра отделилась
от электрода
и
переместилась
в слой бактерий. Это серебро преимущественно
находилось
в форме наночастиц со средним размером около пяти нанометров,
которые расположились
вплотную к мембранам бактерий и даже
между внешней и внутренней мембранами,
в периплазматическом пространстве.
Авторы предположили,
что во
время работы топливного элемента от
анода
отделяются
положительно
заряженные
ионы серебра, которые продвигаются
в слой
бактерий, а там снова восстанавливаются
и превращаются в нейтрально заряженные
частицы. Эти частицы в дальнейшем служат
своего
рода металлическими контактами
и облегчают передачу электронов от
бактерий к аноду.

Чтобы
испытать новые электроды, Хуан и его
коллеги
изготовили
полноценный
микробный
топливный
элемент из
двух емкостей на 120 миллилитров,
разделенных протон-обменной мембраной.
Катод
сделали
из углерода с добавками платины, а в
качестве топлива использовали раствор
лактата (соли молочной кислоты).
После
оптимизации условий
топливные элементы
с rGO/Ag
продемонстрировали
плотность
тока 3,85
миллиампера на квадратный сантиметр и
мощность
в 0,6 милливатт на квадратный сантиметр
— это
рекорд для
микробных топливных элементов.

Сравнение плотности тока и мощности с другими микробными топливными элементами из литературных данных

Посчитав точное количество потребленного
лактата, авторы
также вычислили кулоновскую эффективность
(отношение
электронов,
дошедших до анода к общему количеству
электронов, полученных из лактата).
Она оказалась равна 81 проценту. По
сравнению с эффективностью традиционных
топливных элементов это не очень высокое
значение, но для микробных — тоже
рекорд.

Вклад
бактерий в современную энергетику не
ограничивается только в микробными
топливными элементами. Например,
китайские
химики с помощью сульфатредуцирующих
бактерий улучшили
электроды
для электролиза воды. Бактерии покрывают
поверхность электрода сульфидом железа,
который облегчает адсорбцию
кислород-содержащих частиц, и
электролиз
можно проводить при более низком
напряжении.

Наталия
Самойлова

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 21.09.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии