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进了一大步——这种技术利用天然细菌从废水中的有机物质中提取电子以产生电流。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活体能量回收系统为环境可持续性努力提供了一两拳，”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校 Samueli 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合物来帮助净化地下水。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，其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茁壮成长——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。当细菌在电极上生长成薄膜时，可以捕获一些电子，形成微生物燃料电池来发电。
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。很少有电子能够以足够快的速度逃离细菌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。纳米颗粒释放银离子，细菌利用代谢过程中产生的电子将银离子还原为银纳米颗粒，然后结合到细胞中。一旦进入细菌内部，银粒子就会充当微观传输线，捕获细菌产生的更多电子。
该研究的另一位通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学和生物化学教授段向峰说：“将银纳米粒子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。”
随着电子传输效率的极大提高，由此产生的注入银的希瓦内拉薄膜将超过 80% 的代谢电子输出到外电路，产生每平方厘米 0.66 毫瓦的功率——是之前微生物燃料电池最佳功率的两倍多.
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获得足够的功率输出铺平道路。
该论文的第一作者是黄和段指导的加州大学洛杉矶分校博士生曹博成。加州大学洛杉矶分校的其他资深作者是生物工程教授 Gerard Wong;Paul Weiss，加州大学校长，化学与生物化学、生物工程、材料科学与工程杰出教授;化学和生物化学助理教授Chong Liu。南加州大学地球科学名誉教授肯尼思·尼尔森 (Kenneth Nealson) 也是资深作者。
