Американские
ученые покрыли
анод микробного
топливного элемента композитом
из серебра и
восстановленного
оксида графена
и добились
рекордной мощности.
В процессе
работы элемента такое покрытие выделяет
наночастицы серебра, которые проникают
в оболочку бактерий
и облегчают транспорт электронов
к аноду.
Результаты
исследования опубликованы
в журнале Science.
Микробный
топливный элемент — это
устройство, которое преобразует энергию
химических связей в электроэнергию с
помощью микроорганизмов. На
анод такого
элемента
наносят
пленку
бактерий, которые
окисляют компоненты
электролита
и передают полученные электроны на
электрод.
Топливом для бактерий могут служить
самые разные органические вещества, в
том числе
смеси.
Поэтому
в перспективе с
помощью микробных топливных элементов
можно будет решать две задачи одновременно:
получать
электроэнергию и перерабатывать
вредные
отходы — например, компоненты
сточных вод.
Однако,
пока что мощность микробных топливных
элементов не
превышает 0,3 милливатта на квадратный
сантиметр, и для
коммерческого использования недостаточна.
Потери
происходят на всех этапах, но больше
всего энергии
теряется во
время передачи электронов от бактерии
к аноду
Сделать
микробные топливные элементы эффективнее
сумели
американские
ученые под руководством Юя
Хуана (Yu
Huang) из
Калифорнийского Университета. Авторы
работали с тонкопленочным
топливным элементом, на
анод которого наносли
пленку грамотрицательных
бактериий
Shewanella.
Эти
бактерии широко
распространены и в почве, грунтовой и
морской воде и могут выживать как в
аэробных, так и в анаэробных условиях
и
считаются идеальными кандидатами для
использования в микробных топливных
элементах.
Хуан и его коллеги начали с того, что изготовили углеродные аноды трех типов: без дополнительного покрытия, с покрытием на основе восстановленного оксида графена (rGO) и с покрытием из композита восстановленного оксида графена с серебром (rGO/Ag). Восстановленный оксид графена ученые добавили для того, чтобы снизить сопротивление, а серебро — чтобы облегчить передачу электронов от бактерий к аноду.
Затем электроды помещали в слабощелочной раствор, содержащий бактерии и питательные вещества для них. Хуан и его коллеги опасались, что антимикробное действие серебра может помешать размножению бактерий и пленка на аноде окажется недостаточно плотной. Однако, оказалось, в виде композита с восстановленным оксидом графена серебро для бактерий Shewanella неопасно. Выживаемость бактерий на rGO/Ag электроде оказалась равна 93 процентам, что вполне сравнимо с выживаемостью на rGO электроде (92 процента) и на электроде без покрытия (95 процентов). Более того, сканирующая электронная микроскопия показала, что на rGO/Ag электроде бактерии образуют более плотную пленку.
Плотность тока в тестовой полуячейке с rGO/Ag была в семь раз выше, чем в полуячейке с rGO-электродом в пятнадцать раз выше, чем в полуячейке с электродом без покрытия. Чтобы разобраться в причинах такого впечатляющего улучшения, авторы использовали просвечивающую растровую электронную микроскопию, а также просканировали всю поверхность электрода методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Оказалось, что часть серебра отделилась от электрода и переместилась в слой бактерий. Это серебро преимущественно находилось в форме наночастиц со средним размером около пяти нанометров, которые расположились вплотную к мембранам бактерий и даже между внешней и внутренней мембранами, в периплазматическом пространстве. Авторы предположили, что во время работы топливного элемента от анода отделяются положительно заряженные ионы серебра, которые продвигаются в слой бактерий, а там снова восстанавливаются и превращаются в нейтрально заряженные частицы. Эти частицы в дальнейшем служат своего рода металлическими контактами и облегчают передачу электронов от бактерий к аноду.
Чтобы испытать новые электроды, Хуан и его коллеги изготовили полноценный микробный топливный элемент из двух емкостей на 120 миллилитров, разделенных протон-обменной мембраной. Катод сделали из углерода с добавками платины, а в качестве топлива использовали раствор лактата (соли молочной кислоты). После оптимизации условий топливные элементы с rGO/Ag продемонстрировали плотность тока 3,85 миллиампера на квадратный сантиметр и мощность в 0,6 милливатт на квадратный сантиметр — это рекорд для микробных топливных элементов.
Посчитав точное количество потребленного лактата, авторы также вычислили кулоновскую эффективность (отношение электронов, дошедших до анода к общему количеству электронов, полученных из лактата). Она оказалась равна 81 проценту. По сравнению с эффективностью традиционных топливных элементов это не очень высокое значение, но для микробных — тоже рекорд.
Вклад бактерий в современную энергетику не ограничивается только в микробными топливными элементами. Например, китайские химики с помощью сульфатредуцирующих бактерий улучшили электроды для электролиза воды. Бактерии покрывают поверхность электрода сульфидом железа, который облегчает адсорбцию кислород-содержащих частиц, и электролиз можно проводить при более низком напряжении.
Наталия Самойлова