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加州大学洛杉矶分校在细菌中加入银 使微生物燃料电池的功率超过以往两倍

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58京牌 ,加州大学洛杉矶分校(UCLA)领导的研究团队在开发微生物燃料电池方面迈出了重要一步。该技术利用天然细菌从废水的有机物中提取电子,从而产生电流。

 (图片来源:UCLA)

加州大学洛杉矶分校萨缪里工程学院(UCLA Samueli School Of Engineering)材料科学与工程系的Yu Huang教授表示:“活性能源回收系统利用在废水中发现的细菌,为实现环境可持续性提供了双重支持。天然细菌种群可以分解有害化合物,帮助净化地下水。现在,我们的研究也展示了通过这一过程利用可再生能源的实用方法。”

该团队重点关注希瓦氏菌属(Shewanella),这种细菌因其产生能量的能力而被广泛研究。它们可以在所有类型的环境中生存并茁壮成长,包括土壤、废水和海水,而不受氧气含量的影响。希瓦氏菌可以将有机废弃物自然分解成更小的分子,而电子是代谢过程的副产品。当细菌在电极上以薄膜的形式生长,可以捕获一些电子,从而形成能够发电的微生物燃料电池。

然而,由奥奈达湖希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)提供电力的微生物燃料电池,此前无法从细菌中捕捉足够的电流,使这项技术未能投入实际的工业应用。很少有电子能足够快地离开细菌膜进入电极,并提供足够的电流和能量。

为了解决这个问题,研究人员在由一种石墨烯氧化物构成的电极中添加银纳米颗粒。这些纳米颗粒释放银离子,细菌利用其代谢过程中产生的电子,将银离子还原为银纳米粒子,然后将其纳入细胞中。一旦进入细菌体内,银粒子就会充当微小的传输线,捕捉更多由细菌产生的电子。该校化学和生物化学系教授Xiangfeng Duan表示:“在细菌中加入银纳米颗粒,就像是为电子创建专用快车道。我们可以更快的速度提取更多的电子。”

随着电子传输效率大幅提升,由此产生的含银希瓦氏薄膜能够将80%以上的新陈代谢电子输出至外部电路,使功率达到0.66Nw/Cm 2,超过以前微生物燃料电池最佳功率的两倍。

这项研究得到美国海军研究办公室(Office of Naval Research)的支持。该项研究表明,随着电流增加和效率提升,由银-希瓦氏菌(silver-Shewanella)混合细菌驱动的燃料电池,可能为在实际应用中提供足够的功率输出铺平道路。

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