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Science:将银纳米颗粒整入到希瓦氏菌中,可以显著提高微生物燃料电池的电流和功率

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  4. 希瓦氏菌
  5. 氧化石墨烯
  6. 电极
  7. 银纳米颗粒

来源:本站原创 2021-09-19 08:54

研究人员在由一种氧化石墨烯组成的电极上添加了银纳米颗粒。这些纳米颗粒释放出银离子,这些细菌利用它们的代谢过程中产生的电子将释放出的银离子还原为银纳米颗粒,然后使之整合到它们的细胞中。一旦进入这些细菌体内,银纳米颗粒就像微型传输线一样,捕捉它们产生的更多电子。

2021年9月19日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国加州大学洛杉矶分校的研究人员在开发微生物燃料电池(microbial fuel cell)---利用天然细菌从废水中的有机物中提取电子以产生电流---方面迈出了一大步。 这一突破性进展发表在2021年9月17日的Science期刊上,论文标题为“Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells”。 


论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院材料科学与工程系教授兼主任Yu Huang说,“利用废水中发现的细菌的活体能量回收系统为环境可持续性努力提供了一个组合拳。天然的细菌群体可以通过分解有害的化学物质来帮助消除地下水的污染。如今,我们的研究还显示了一种从这一过程中利用可再生能源的实用方法。”

这些作者专注于希瓦氏菌属(Shewanella)细菌,这类细菌因其能量产生能力而被广泛研究。它们可以在所有类型的环境---包括土壤、废水和海水---中茁壮成长,而不管氧气水平如何。希瓦氏菌属细菌天然地将有机废物分解成更小的分子,电子是这一代谢过程的副产物。 当这些细菌在电极上以薄膜的形式生长时,一些电子可以被捕获,形成一种可以发电的微生物燃料电池。 

然而,由奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)驱动的微生物燃料电池以前没有从这种细菌中捕获足够的电流,这就使得该技术在工业上缺乏足够的实用性:很少有电子能够快速移动到足以逃离这种细菌的膜并进入电极以提供足够的电流和功率。


应用于银纳米颗粒的一些选定的表面化学和偶联策略的示意图,图片来自Frontiers in Chemistry, 2017, doi:10.3389/fchem.2017.00006。

为了解决这个问题,这些作者在由一种氧化石墨烯组成的电极上添加了银纳米颗粒。这些纳米颗粒释放出银离子,这些细菌利用它们的代谢过程中产生的电子将释放出的银离子还原为银纳米颗粒,然后使之整合到它们的细胞中。一旦进入这些细菌体内,银纳米颗粒就像微型传输线一样,捕捉它们产生的更多电子。

论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学与生物化学教授Xiangfeng Duan说,“将银纳米颗粒加入这些细菌中,就像为电子创造了一条专用快车道,这使我们能够以更快的速度提取更多的电子。 ”

随着电子传输效率的大幅提高,所产生的银浸泡的希瓦氏菌属细菌薄膜向外部电路输出了80%以上的代谢电子,产生了每平方厘米0.66毫瓦的功率--是以前基于微生物的燃料电池的最佳值的两倍以上。

随着电流的增加和效率的提高,这项新的研究表明,由银-希瓦氏菌杂合细菌驱动的燃料电池可能为在实际环境中实现足够的功率输出铺平道路。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Bocheng Cao et al. Silver nanoparticles boost charge extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells. Science, 2021, doi:10.1126/science.abf3427.

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