Een door AUCLA geleid team van ingenieurs en chemici heeft een grote stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van microbiële brandstofcellen - een technologie die natuurlijke bacteriën gebruikt om elektronen uit organisch materiaal in afvalwater te extraheren om elektrische stromen te genereren. Een studie over de doorbraak werd onlangs gepubliceerd in Wetenschap .

"Levende energieterugwinningssystemen die gebruik maken van bacteriën die in afvalwater worden aangetroffen, bieden een een-tweetje voor inspanningen op het gebied van milieuduurzaamheid, " zei co-corresponderende auteur Yu Huang, een professor en voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering aan de UCLASamueli School of Engineering. "De natuurlijke populaties bacteriën kunnen helpen het grondwater te ontsmetten door schadelijke chemische verbindingen af ​​te breken. Nu, ons onderzoek laat ook een praktische manier zien om hernieuwbare energie uit dit proces te halen."

Het team concentreerde zich op het bacteriegeslacht Shewanella , die uitgebreid zijn onderzocht op hun vermogen om energie op te wekken. Ze kunnen groeien en gedijen in alle soorten omgevingen, inclusief bodem, afvalwater en zeewater, ongeacht het zuurstofgehalte.

Shewanella soorten breken organisch afval op natuurlijke wijze af in kleinere moleculen, waarbij elektronen een bijproduct zijn van het metabolische proces. Wanneer de bacteriën groeien als films op elektroden, een deel van de elektronen kan worden opgevangen, het vormen van een microbiële brandstofcel die elektriciteit produceert.

Echter, microbiële brandstofcellen aangedreven door Shewanella oneidensis hebben eerder niet genoeg stromen van de bacteriën opgevangen om de technologie praktisch te maken voor industrieel gebruik. Er zijn maar weinig elektronen die snel genoeg kunnen bewegen om aan de membranen van de bacteriën te ontsnappen en de elektroden binnen te gaan om voldoende elektrische stroom en vermogen te leveren.

Om dit probleem aan te pakken, onderzoekers voegden nanodeeltjes van zilver toe aan elektroden die zijn samengesteld uit een soort grafeenoxide. De nanodeeltjes geven zilverionen af, welke bacteriën reduceren tot zilveren nanodeeltjes met behulp van elektronen die worden gegenereerd uit hun metabolische proces en vervolgens in hun cellen opnemen. Eenmaal in de bacterie, de zilverdeeltjes fungeren als microscopische transmissiedraden, het vangen van meer elektronen geproduceerd door de bacteriën.

"Het toevoegen van de zilveren nanodeeltjes aan de bacteriën is als het creëren van een speciale uitdrukkelijke baan voor elektronen, waardoor we meer elektronen en met hogere snelheden konden extraheren, " zei XiangfengDuan, de andere corresponderende auteur van de studie en een professor in de chemie en biochemie aan de UCLA.

Met sterk verbeterde elektronentransportefficiëntie, de resulterende met zilver doordrenkte Shewanella film voert meer dan 80% van de metabolische elektronen uit naar externe circuits, genereert een vermogen van 0,66 milliwatt per vierkante centimeter - meer dan het dubbele van het vorige beste voor op microbiële brandstofcellen gebaseerde brandstofcellen.

Met de verhoogde stroom en verbeterde efficiëntie, de studie, die werd ondersteund door het Office of Naval Research, toonde aan dat brandstofcellen aangedreven door zilver- Shewanella hybride bacteriën kunnen de weg vrijmaken voor voldoende vermogen in praktische instellingen.

BochengCao, een UCLA-promovendus geadviseerd door zowel Huang als Duan, is de eerste auteur van het artikel. Andere senior auteurs van de UCLA zijn Gerard Wong, een hoogleraar bio-engineering; Paul Weiss, een UC Presidential Chair en onderscheiden hoogleraar chemie en biochemie, bio-engineering, en materiaalwetenschap en techniek; en Chong Liu, een assistent-professor scheikunde en biochemie. Kenneth Nealson, emeritus hoogleraar aardwetenschappen aan het USC, is ook senior auteur.

Duan, Huang en Weiss zijn allemaal lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA.