斯坦福大学的科学家从污水中发电

此处描述的管状生长是一种可以产生电能的微生物。它的线状卷须附着在碳丝上。该图像是用扫描电子显微镜拍摄的。这些“外生电子微生物”中有100多个可以并排放置在人的头发中。

斯坦福大学的科学家开发了一种“微生物电池”，该细菌由自然产生的细菌驱动，这些细菌在消化有机物质时会进化为产生电能。

斯坦福大学的工程师已经设计出一种新方法，可以利用污水中的电能，利用天然存在的“有线微生物”作为小型发电厂，在消化植物和动物粪便时产生电能。

在今天发表于《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，合著者之一的材料科学家崔翠，环境工程师克雷格·克劳德（Craig Criddle）和跨学科研究人员邢星将其发明称为微生物电池。

他们希望将其用于污水处理厂等地方，或用于分解湖泊和沿海水域“死区”中的有机污染物，在这些死区中化肥径流和其他有机废物会消耗氧气，使海洋生物窒息。

然而，目前，他们的实验室原型大约相当于一个D电池的大小，看起来像是一个化学实验，将两个电极（一个正极，另一个负极）插入一瓶废水中。

在那个阴暗的小瓶内，它像藤壶一样附着在船体的负极上，一种不寻常的细菌在有机废物的颗粒上盛宴，并产生电能，并由电池的正极捕获。

“我们称其为捕捞电子，”土木与环境工程学系教授克劳德（Criddle）说。

科学家们早就知道它们存在的所谓的外生电微生物-在无空气环境中进化并发展出与氧化物矿物质发生反应而不是像我们一样呼吸氧气的能力，从而将有机营养物转化为生物燃料。

在过去的十二年左右的时间里，几个研究小组尝试了各种方法将这些微生物用作生物发生器，但事实证明，有效利用这种能量具有挑战性。

微生物电池的新功能是一种简单而有效的设计，可以使这些外生电细菌发挥作用。

在电池的负极，有线微生物的菌落紧贴着碳丝，这些碳丝可以用作有效的电导体。斯坦福大学的研究小组使用扫描电子显微镜拍摄了这些将乳状卷须附着在碳丝上的微生物的图像。

Criddle说：“您可以看到微生物使纳米线逸出了​​多余的电子。”为了使图像清晰可见，这些微生物中约有100种可以并排放置在人的头发上。

当这些微生物摄入有机物并将其转化为生物燃料时，它们的过量电子流入碳丝，然后流向由氧化银（一种吸引电子的材料）制成的正极。

流向正节点的电子逐渐将氧化银还原为银，在此过程中存储了多余的电子。据谢说，经过一天左右的时间，正极吸收了全部的电子负载，并在很大程度上转化为银。

在那一点上，将其从电池中移出并再次氧化回氧化银，从而释放出存储的电子。

斯坦福大学的工程师估计，微生物电池可以提取约30％锁定在废水中的潜在能量。这与最好的市售太阳能电池将阳光转化为电能的效率大致相同。

当然，废水中的能源潜力要少得多。即便如此，发明人说微生物电池还是值得追求的，因为它可以抵消现在用于处理废水的一些电能。目前，这种使用约占发达国家总电力负荷的3％。这些电能大部分用于将空气排入传统处理厂的废水中，在常规处理厂中，普通细菌在消化过程中会消耗氧气，就像人类和其他动物一样。

展望未来，斯坦福大学的工程师表示，他们面临的最大挑战将是为正极节点找到便宜却有效的材料。

“我们证明了使用氧化银的原理，但是银对于大规模使用来说太昂贵了，”材料科学与工程学副教授崔说。

“尽管正在寻找更实用的材料，但寻找替代品将需要时间。”

出版物：Xing Xie等人，“用于高效能量回收的微生物电池”，PNAS，2013年，doi：10.1073 / pnas.1307327110

图像：邢，斯坦福大学工程