研究人员将银注入细菌以提高燃料电池的功率效率

由加州大学洛杉矶分校领导的工程师和化学家团队在微生物燃料电池的开发方面向前迈出了重要一步——一种利用天然细菌从废水中的有机物中提取电子以产生电流的技术。一项详细介绍这一突破的研究最近发表在《科学》杂志上。

“利用废水中发现的细菌的生命能量回收系统为环境可持续发展工作提供了一个二重奏，”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院材料科学与工程系教授兼系主任 Yu Huang 说。“细菌的自然种群可以通过分解有害化学物质来帮助净化地下水。现在，我们的研究还展示了一种从这一过程中利用可再生能源的实用方法。”

该团队专注于细菌属 Shewanella，它们的能量产生能力已被广泛研究。无论氧气含量如何，它们都可以在所有类型的环境中生长和繁衍——包括土壤、废水和海水。

Shewanella物种自然地将有机废物分解成更小的分子，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时，一些电子可以被捕获，从而形成产生电能的微生物燃料电池。

然而，由Shewanella oneidensis提供动力的微生物燃料电池 以前没有从细菌中捕获足够的电流，无法使该技术在工业上实用。很少有电子可以足够快地移动以逃离细菌的膜并进入电极以提供足够的电流和功率。

为了解决这个问题，研究人员将银纳米颗粒添加到由一种氧化石墨烯组成的电极中。纳米粒子释放银离子，细菌利用其代谢过程产生的电子将银离子还原为银纳米粒子，然后结合到它们的细胞中。一旦进入细菌内部，银颗粒就会充当微观传输线，捕获细菌产生的更多电子。

“将银纳米颗粒添加到细菌中就像为电子创造了一条专用的快速通道，这使我们能够以更快的速度提取更多的电子，”该研究的另一位通讯作者、加州大学洛杉矶分校的化学和生物化学教授段祥峰说。

电子传输效率大大提高，由此产生的注入银的希瓦氏菌薄膜将超过 80% 的代谢电子输出到外部电路，产生 0.66 毫瓦/平方厘米的功率 - 是以前基于微生物的燃料电池的最佳功率的两倍多.

随着电流的增加和效率的提高，这项由海军研究办公室支持的研究表明，由银-希瓦氏菌 混合细菌驱动的燃料电池可能为在实际环境中提供足够的电力输出铺平道路。

由黄和段共同指导的加州大学洛杉矶分校博士生曹博成是该论文的第一作者。其他加州大学洛杉矶分校的资深作者是生物工程学教授 Gerard Wong;Paul Weiss，加州大学校长主席和化学与生物化学、生物工程和材料科学与工程杰出教授;和化学和生物化学助理教授刘冲。南加州大学地球科学名誉教授 Kenneth Nealson 也是资深作者。