Großer Fortschritt bei der Entwicklung von mikrobiellen Brennstoffzellen

Forscher infundieren Bakterien mit Silber, um die Energieeffizienz von Brennstoffzellen zu verbessern

20.09.2021 - USA

Ein von der UCLA geleitetes Team von Ingenieuren und Chemikern hat einen großen Schritt in der Entwicklung von mikrobiellen Brennstoffzellen gemacht - eine Technologie, die natürliche Bakterien nutzt, um Elektronen aus organischen Stoffen im Abwasser zu gewinnen und so elektrischen Strom zu erzeugen.Eine Studie, die diesen Durchbruch beschreibt, wurde kürzlich in Science veröffentlicht.

"Lebende Energierückgewinnungssysteme, die im Abwasser vorkommende Bakterien nutzen, bieten einen Doppelschlag für die Bemühungen um ökologische Nachhaltigkeit", sagte der Mitautor Yu Huang, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Samueli School of Engineering der UCLA. "Die natürlichen Bakterienpopulationen können bei der Dekontaminierung des Grundwassers helfen, indem sie schädliche chemische Verbindungen abbauen. Unsere Forschung zeigt nun auch einen praktischen Weg auf, um erneuerbare Energie aus diesem Prozess zu gewinnen."

Das Team konzentrierte sich auf die BakteriengattungShewanella, die wegen ihrer Fähigkeiten zur Energiegewinnung eingehend untersucht worden ist. Sie können in allen Arten von Umgebungen wachsen und gedeihen - einschließlich Boden, Abwasser und Meerwasser - unabhängig vom Sauerstoffgehalt.

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Shewanella-Arten zerlegen organische Abfallstoffe auf natürliche Weise in kleinere Moleküle, wobei Elektronen ein Nebenprodukt des Stoffwechselprozesses sind.Wenn die Bakterien als Filme auf Elektroden wachsen, können einige der Elektronen eingefangen werden, wodurch eine mikrobielle Brennstoffzelle entsteht, die Strom erzeugt.

Allerdings haben mikrobielle Brennstoffzellen, die vonShewanella oneidensis angetrieben werden, bisher nicht genug Strom von den Bakterien eingefangen, um die Technologie für den industriellen Einsatz praktikabel zu machen. Nur wenige Elektronen konnten sich schnell genug bewegen, um die Bakterienmembranen zu verlassen und in die Elektroden einzudringen, um ausreichende elektrische Ströme und Energie zu erzeugen.

Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher Nanopartikel aus Silber zu Elektroden hinzu, die aus einer Art Graphenoxid bestehen. Die Nanopartikel setzen Silberionen frei, die von den Bakterien mit Hilfe von Elektronen aus ihrem Stoffwechsel zu Silbernanopartikeln reduziert und dann in ihre Zellen eingebaut werden. Im Inneren der Bakterien wirken die Silberpartikel wie mikroskopische Übertragungsdrähte, die weitere von den Bakterien erzeugte Elektronen einfangen.

"Das Hinzufügen der Silber-Nanopartikel in die Bakterien ist wie die Schaffung einer eigenen Schnellspur für Elektronen, die es uns ermöglicht, mehr Elektronen mit höherer Geschwindigkeit zu extrahieren", sagte Xiangfeng Duan, der andere korrespondierende Autor der Studie und Professor für Chemie und Biochemie an der UCLA.

Mit einer stark verbesserten Elektronentransporteffizienz gibt der resultierende, mit Silber infundierte Shewanella-Film mehr als 80 % der metabolischen Elektronen an den externen Stromkreis ab und erzeugt eine Leistung von 0,66 Milliwatt pro Quadratzentimeter - mehr als das Doppelte des bisherigen Bestwertes für Brennstoffzellen auf Mikrobenbasis.

Mit dem erhöhten Strom und den verbesserten Wirkungsgraden zeigt die vom Office of Naval Research unterstützte Studie, dass Brennstoffzellen, die von Silber-Shewanella-Hybridbakterien angetrieben werden, den Weg für eine ausreichende Leistungsabgabe in der Praxis ebnen könnten.

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