新设备从阳光和废水产生氢燃料

一种用于产生氢燃料的新型太阳微生物装置。照片由宋阳

通过组合微生物燃料电池和一种称为光电化学电池的太阳能电池，来自UC Santa Cruz的研究人员开发了一种混合装置，产生来自废水和阳光的氢气。

一种仅使用阳光和废水来生产氢气的新型设备可以提供可持续的能源，同时提高废水处理的效率。

Chifornia大学的化学副教授，Santa Cruz大学副教授，开发了一支由Yat Li，开发了太阳微生物装置，并在美国化学学会ACS Nano发表的一篇文章中报道了它们的结果。混合装置结合了微生物燃料电池（MFC）和一种称为光电化学电池（PEC）的太阳能电池。在MFC组分中，细菌降解废水中的有机物质，在该过程中发电。将生物发电的电力输送到PEC组件，以帮助产生产生氢气和氧的水的太阳能分裂（电解）。

可以单独使用PEC或MFC装置以产生氢气。然而，两者都需要小的额外电压（“外部偏差”）来克服用于质子还原成氢气的热力学能量屏障。掺入额外电力元件的需要显着增加了这些类型的能量转换装置的成本和复杂性，尤其是在大尺度上。相比之下，李的混合式太阳能微生物装置是自驱动的和自我持续的，因为来自有机物质（由MFC收获）的组合能量和阳光（由PEC捕获）足以驱动电解水。

实际上，MFC分量可以被视为自持的“生物电池”，为氢气产生提供额外的电压和能量。“唯一的能源是废水和阳光，”李说。“这种自偏见的成功示范，用于氢收发电的可持续微生物装置可以提供一种新的解决方案，可以同时解决废水处理的需求和对清洁能源的不断增加的需求。”

微生物燃料电池依赖于异常的细菌，称为产生电细菌，能够通过将代谢的电子在其细胞膜上转移到外部电极来产生电力。李的集团与劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员合作，他一直在研究电气细菌并致力于提高MFC性能。太阳微生物（PEC-MFC）器件的初始“概念证明”测试在人工生长培养基上使用了在实验室中生长的良好的电气细菌菌株。随后的测试使用了来自Livermore水填海工厂的未经处理的市政废水。废水含有丰富的有机营养素和皮肤混合物，微生物混合在这些营养物质上，包括天然存在的电菌株。

根据LLNL研究人员和COAUTHOR的说法，当喂食废水并在太阳模拟器中照亮的太阳模拟器中，PEC-MFC设备显示平均速度为0.05 m3 /天的氢气。同时，浑浊的黑色废水变得更加清晰。可溶性化学需氧量 - 水中有机化合物量的量度，广泛用作水质试验 - 下降67％以上超过48小时。

研究人员还注意到，随着细菌在废水中使用有机物质，氢气随着时间的推移而下降。在每个馈送循环中补充废水导致电流产生和氢气生产的完全恢复。

钱谦表示，研究人员对其发明的商业潜力持乐观态度。目前他们正计划扩大小实验室装置，以便使用城市废水连续喂养40升原型。如果40升原型的结果很有前途，他们将在废水处理厂的现场测试设备。

“MFC将与植物的现有管道集成，用于连续废水喂料，佩奇将在户外建立以获得自然太阳能照明，”Qian说。

“幸运的是，金色的国家是拥有丰富的阳光，可以用于现场测试，”李增。

李湖实验室的研究生，李汉雁王是ACS纳米纸的第一作者。另一位合唱团包括UCSC研究生王明王; Llnl研究员永琴娇;弗吉尼亚理工学院与州立大学的Zhen He。该研究得到了国家科学基金会和能源部的支持。

出版物：Hanyu Wang，“用于可持续氢气发电的自偏见太阳微生物装置”，ACS Nano，2013; DOI：10.1021 / NN403082M

图像：宋阳